将插座正确地设计到主板上

长期以来，电子设计工程师们已习惯于把插座作为将封装好的电子器件可靠地安装到PCB(或从PCB上拆除)的一种快速有效的方法。然而，当今最先进的微电子器件技术为插座连接技术赋予了新的价值。

除了加速生产过程外，使用插座目前有了一些重要理由。这些理由包括在装配主板过程中保护敏感元件免于遭受物理损坏和热冲击、在安装或拆卸关键元器件时保护主板、易化器件测试、仿真和编程，并简化在装配线、实验室或现场对破损元器件的更换。此外，随着重要电子元器件(如微处理器)的价格随其自身不断的更新换代而不断攀升，使用插座在技术和成本方面也更具有优势。

使用如图1所示的插座，可让设计工程师在产品开发初期，亦即在新电路板或系统投产之前，预见并解决众多潜在的问题和不经济的设计。在很多情况下，尽早解决潜在问题意味着现场故障将更少，从而要求重新设计和生产的概率更少。

提高生产效率

电子元器件，尤其是高可靠性的电子元器件需要经历设计、原型和投产过程。在测试、仿真和编程过程中必须设置一些关键点来验证元器件的性能和质量，以使元器件的功能正常。插座提供了暂时将器件连接到测试装置上的即快速又可靠的方法，同时它还能尽量减小或消除可能会导致器件损坏的温度或机械应力(如焊接、脱焊、器件变形、过处理和潜在的额外损耗等，见图2)。使用插座的好处还体现在随后的生产线组装步骤，并最终体现在器件及其主板在服务期内的任何现场测试、检修和升级操作上。

使用插座可加快新产品开发时间。通常，电子产品的设计和生产包含多种过程，这些过程必须并行发生以跟上紧凑的生产进度，并保持可用资源的使用效率最大化。同步进行这些过程以便让它们在同一时间全部达到“最佳状态”通常是不切实际的。因此，最新计算机系统的可量产主板设计，可能在用于该计算机的新微处理器芯片成功完成设计验证的数月前完成。在这种情况下，提前生产出具有插座的主板，能确保晚些时候做好的封装芯片装配到主板上。

将主板设计成带有插座还能提供其它可制造性的好处。例如，很多生产线采用回流焊技术将插座和主板连在一起。插座的重量通常比器件封装要轻，这有助于简化为优化热分布而进行的回流炉温度波形处理、方便插座连接并减少主板在炉内的停留时间，从而减少能量损耗并缩短生产时间。

在最初的电路板设计中，另一个与焊接有关的关键因素是将插座保持在主板之上的焊接强度，以及它们对主板服务期内的可靠性的影响。插座的引脚常常是根部焊接到主板的焊盘上，然而，主板的相对平整度和待组装器件的封装的不同，可能导致焊接点处焊料强度、抗冲击性和温度循环性能不同。缓解改问题的办法之一是把插座的引脚做成低温共熔的焊结球，这种焊接球的焊接点强度比典型的引脚－焊盘连接的强度更大。

带插座的主板设计标准

理想情况下，插座在尺寸、电气、机械和热特性方面应该不会给设计带来什么影响。换句话说，器件看上去似乎是直接安装到主板上。但是，插座应该被视为与其它电子元件一样，具有独立的尺寸、电气、热、机械和成本方面的特性。

尺寸方面的考虑

封装电子器件在配置、尺寸和连接模式方面大相径庭，与每一种封装形式相连的插座也是如此。图3详细列出了将BGA器件与电路板相连的焊接式插座系统的各种部件。

当设计具有插座配置的新电路板时，设计工程师必须同时考虑多种因素，包括器件封装和插座的尺寸(即组合的占地面积和高度)，以及插座封装的四周和上方预留的空间。这些空间用于适当的通风、散热和方便地对器件进行装配/拆卸。

但如果目的只是为了将一个业已做好的主板设计翻新成为插座连接方式以方便封装器件的装配，那就还要做其他方面的考虑。例如，假定器件原本是直接焊接到主板的焊盘上，器件封装的占地面积和高度要远小于基于插座的连接方式。

这种差别将减少用插座连接的器件的四周和上部间隙，甚至到除非完全重新设计主板否则在技术上就不可能翻新的程度。重新设计主板必须在器件周围为适当通风、散热和装配预留空间。

在这种情形下，采用面积与封装器件相等的小尺寸插座有助于减小或消除重新设计主板中的任何要求。事实上，即便是设计新主板(一开始就要规划好插座的安装)，采用小尺寸插座也能节省宝贵的主板面积。

电气方面的考虑

在计划用插座连接电子器件时，尽可能减少插座对电子信号的干扰非常重要。对低速器件而言，插座的电特性对信号处理的影响可能很小，因此使用插座显得更简单。如果器件的工作速度很高，插座就很有可能改变信号路径，阻滞信号传输并恶化器件的功能性。此时可能需要在主板设计中增加一些额外器件以保护信号的完整性。对主板设计工程师而言，关键是要在设计周期的前期就确定这些额外器件的选型和布局。一般来说，这不难做到，而且也更具成本效益。

机械方面的考虑

在机械意义上，插座和插座适配器系统必须施加足够大的力以保证接器件的吻合，并确保其与主板的合适的电接触。另一方面，将适配器和插座连接(或分离)所需的力又必须要足够小以防造成器件或主板的变形或损坏。因此，在设计插座系统之前，设计工程师最好先了解插座连接系统精的确保力性能，从而确保器件插入后不会因震荡而松动，也不会因插座和器件配合得太过密实而在拔除时损坏主板和器件。

同样重要的还有插座接触点的材料和结构。例如，一般情况下，螺旋式、具有厚镀金层的铍铜合金触点与采用同种材料、但镀金层较薄的模压式触点相比，前者可提供更好的可预见度和持续的机械及电性能。当涉及测试装置时，镀层厚度尤为重要。适配器在插座上的重复插拔最终会导致镀层磨损殆尽，引起接触电阻改变，并可能导致测试结果偏移。因此，如果镀层不足够厚，就只能减少允许的插拔周期次数，而这样一来，插座本身的更换就必须更为频繁。

温度方面的理解

为在各种温度周期下保持最佳的机械完整性和电性能，设计工程师应该将插座的温度特性(即热阻、温度稳定性、膨胀系数以及熔点等)与待器件的温度特性相匹配。这样可以减小潜在问题的影响，这些潜在问题很可能会对热耗散、平均故障时间(MTBF)、现场检修频率、实验室仿真与现场应用间的一致性造成不良影响。

例如，如果器件的最大工作温度超过了插座和适配器上塑料件的最大工作温度，则无论插座还是适配器很可能都会变形或融化。此外，如果器件的热胀系数与插座和适配器的热胀系数不同，则局部变形(例如翘曲)可能会引起主板或器件变形。

成本方面的考虑

无论何时，在电子系统中增加元器件都会带来成本核算问题。若主板或器件本身价格很低，则莫不如将其视为一次性器件。在此情况下，使用插座连接方式将会在未改善产品性能的前提下不必要地加大生产和销售成本。但是，如果主板或器件原本价格很高，或者开发、测试、仿真及组装过程必须加快的话，则使用器件连接方式而带来的成本增加就合算。同理，如果器件在安装到主板之前必须作现场编程，或者主板和器件需要现场测试、检修和升级的话，采用器件连接同样是合适的。

作者：Jim Murphy，email: jmurphy@advintcorp.com Advanced Interconnections Corp