Utiliser des connecteurs carte-à-carte haute vitesse pour augmenter la densité des circuits tout en améliorant les performances

Les dispositifs électroniques se miniaturisent tandis que les débits de données augmentent. Pour les concepteurs, ces tendances impliquent d'intégrer davantage de circuits dans des espaces plus restreints, tout en maintenant les débits de données, la fiabilité et l'intégrité des signaux. Les concepteurs doivent également tenir compte de la circulation de l'air pour le refroidissement et de la séparation physique pour minimiser les interférences électromagnétiques (EMI).

Une solution courante pour augmenter la densité des circuits consiste à superposer les cartes à circuit imprimé. L'utilisation de cartes mezzanines et de cartes filles permet d'optimiser l'espace disponible sur les cartes à circuit imprimé, tout en offrant des voies de refroidissement et d'isolement des signaux.

Cet article passe brièvement en revue les défis auxquels sont confrontés les concepteurs de circuits à haute vitesse. Il présente ensuite les connecteurs carte-à-carte de Würth Elektronik et montre comment ils peuvent être utilisés pour fournir des connexions de signaux fiables tout en préservant l'intégrité des signaux.

Cartes mezzanines

Une conception de carte mezzanine est constituée de deux cartes à circuit imprimé parallèles superposées et reliées via des connecteurs carte-à-carte (Figure 1, à gauche).

Figure 1 : Exemples de cartes à circuit imprimé pour montage mezzanine (à gauche) ; les cartes secondaires peuvent être montées sur des connecteurs ou à l'aide d'entretoises CMS ou filetées (à droite). (Source de l'image : Würth Elektronik)

Cette disposition carte-à-carte de deux circuits imprimés offre un espace physique supplémentaire pour les circuits. Elle peut être utilisée pour augmenter le rendement volumétrique, permettre l'interchangeabilité ou assurer une séparation physique afin d'améliorer le flux d'air et de réduire les interférences électromagnétiques. Les connecteurs carte-à-carte relient les cartes entre elles ; aucun câble n'est utilisé. Les connecteurs de cartes mezzanines offrent une gamme de hauteurs de superposition qui déterminent l'espacement des cartes. Les cartes supérieures peuvent être supportées et maintenues par le connecteur ou fixées à l'aide d'entretoises à montage en surface ou filetées pour une meilleure résistance aux vibrations et aux chocs (Figure 1, à droite).

Considérations relatives à l'intégrité des signaux

L'intégrité des signaux décrit la manière dont un signal est déformé ou atténué lors de sa transmission d'une carte à une autre via un connecteur. Certains de ces effets, comme la résistance de contact, ne dépendent pas de la fréquence et peuvent être facilement pris en compte et corrigés.

Cependant, il existe deux paramètres clés de l'intégrité des signaux qui dépendent de la fréquence, à savoir le coefficient de réflexion (ρ) et le coefficient de transmission (t) (Figure 2). Le coefficient de transmission est généralement exprimé en termes de perte d'insertion en décibels (dB). Le coefficient de réflexion (pertes par réflexion) est dû à la réflexion des signaux de données vers la source lorsqu'une rupture d'impédance est rencontrée. La perte d'insertion quantifie l'atténuation le long du trajet de transmission. Les deux dépendent de l'impédance du connecteur (Z_CAB) par rapport à l'impédance de la ligne du circuit imprimé (Z_s).

Figure 2 : Les pertes par réflexion et la perte d'insertion dépendent de l'impédance du connecteur par rapport à l'impédance de la ligne de la carte à circuit imprimé. (Source de l'image : Würth Elektronik)

La perte de transmission réduit l'amplitude du signal lorsqu'il traverse le connecteur et est proportionnelle à la longueur du trajet et à la géométrie du connecteur. Une partie de l'énergie peut également être perdue en raison de la paradiaphonie (NEXT) ou de la télédiaphonie (FEXT). Les pertes par réflexion et le coefficient de transmission sont des paramètres dépendant de la fréquence qui découlent de la différence entre l'impédance du connecteur (modélisé comme un câble) et l'impédance de la ligne de transmission de la carte à circuit imprimé, supposée être de 50 Ω dans cet exemple. Les coefficients de réflexion et de transmission sont définis par les équations présentées.

Le graphique de la Figure 2 montre la variation de ces paramètres en fonction de l'impédance du connecteur (câble). Si l'impédance du connecteur est de 50 Ω, les pertes par réflexion théoriques sont nulles et le coefficient de transmission est de 100 %, ce qui indique l'absence totale de perte. Si l'impédance du connecteur diffère de 50 Ω, les paramètres varient proportionnellement à la différence par rapport aux 50 Ω et avec la fréquence. Dans un connecteur, l'impédance dépend du matériau isolant utilisé et de la géométrie des broches de contact, notamment de leur largeur, de leur longueur et de leur espacement (pas). Elle est également tributaire du câblage des broches adjacentes.

Il existe deux configurations de câblage courantes pour la transmission de données à haute vitesse (Figure 3) : asymétrique, avec le signal de données référencé à la masse, et différentielle, avec deux lignes de signaux complémentaires ; l'amplitude du signal de données correspond à la différence entre leurs tensions. La signalisation différentielle est utilisée pour réduire le bruit et les interférences sur les lignes de signaux doubles. En général, la signalisation différentielle est utilisée aux débits de données les plus élevés. Les signaux de données sont généralement associés à un ou plusieurs signaux de masse afin de réduire le captage de bruit.

Figure 3 : Présentation de trois configurations courantes de câblage de signaux qui illustrent l'utilisation de conducteurs de masse intermédiaires pour réduire le bruit et les interférences. (Source de l'image : Würth Elektronik, modifiée par l'auteur)

Le câblage asymétrique est généralement conçu pour une impédance caractéristique de 50 Ω, tandis que le câblage différentiel est conçu pour 100 Ω. Le choix des broches entre le connecteur et la carte peut avoir une incidence sur les performances des conducteurs de masse.

Du point de vue de l'intégrité des signaux, les connecteurs carte-à-carte doivent être conçus pour prendre en charge des impédances et des débits de données spécifiés.

Exemples de connecteurs carte-à-carte

La série WR-BTB de Würth Elektronik représente une excellente option pour les connecteurs de signaux dans les applications de données à haute vitesse. Il s'agit de connecteurs carte-à-carte à montage en surface disponibles avec 40, 80 ou 100 broches et un pas de 0,80 mm, ainsi qu'avec 64 broches et un pas de 1,00 mm. Les connecteurs à 64 broches à pas de 1,00 mm sont conformes aux exigences de la norme IEEE 1386 relative aux connecteurs mezzanines. Les connecteurs à pas de 0,80 mm sont polarisés pour empêcher tout raccordement inverse. Plusieurs hauteurs de superposition sont disponibles pour chaque nombre de broches.

Tous les connecteurs WR-BTB sont dotés de contacts en alliage de cuivre, plaqués or de manière sélective, avec une résistance de contact inférieure ou égale à 50 mΩ, selon le nombre de broches. Le corps des connecteurs est fabriqué en plastique garanti sans halogène, ce qui les rend plus respectueux de l'environnement sans compromettre leur solidité, leur résistance électrique, leur tenue aux température de brasage lors de l'assemblage des circuits imprimés, ni leur classement de réaction au feu. Ils fonctionnent sur une plage de températures de -55°C à +85°C. De plus, ils sont conformes à la directive RoHS 3.

Contrairement aux connecteurs RF, les connecteurs WR-BTB n'ont pas d'impédance caractéristique fixe ; celle-ci dépend notamment des dimensions des contacts, de la constante diélectrique de la carte sous-jacente et de la disposition des câbles du circuit imprimé. La conception des connecteurs WR-BTB minimise les réflexions des signaux dans les systèmes de circuits imprimés à haute vitesse pour les lignes de transmission asymétriques de 50 Ω ou les paires différentielles de 100 Ω. Par exemple, les connecteurs à pas de 0,8 mm et 1 mm sont compatibles avec la signalisation PCIe 2.0 ou la signalisation différentielle USB 2.0 à 480 Mbps.

Un exemple de paire spécifique de connecteurs (mâle/femelle) WR-BTB est la fiche à 64 broches 658158303064 (Figure 4, à gauche) et la prise correspondante 658101003064 (Figure 4, à droite). Il s'agit de connecteurs protégés à 64 broches avec un pas de 1,00 mm et une largeur de contact de 0,30 mm. Ces connecteurs sont conçus pour une tension de fonctionnement de 100 V_CA et un courant de 1000 mA. La résistance de contact maximum de ces connecteurs est de 30 mΩ. Les deux connecteurs comportent des guides de carte à montage en surface intégrés et des clips pour le placement automatisé (PnP). Ces dispositifs offrent une surface plane permettant aux buses d'aspiration des machines PnP de saisir les connecteurs sans endommager les contacts.

Figure 4 : Illustration d'une paire fiche/prise à 64 broches, à pas de 1,0 mm, avec clips PnP. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Le nombre maximal de broches disponible dans cette gamme de produits est de 100 broches, comme la fiche 658855603100 à 100 broches à pas de 0,80 mm qui vient se raccorder à la prise 658807713100. Ces connecteurs présentent une tension nominale de 50 VCA et peuvent gérer des courants pouvant atteindre 500 mA. La résistance de contact maximale est de 50 mΩ.

La hauteur de superposition est sélectionnée parmi des combinaisons spécifiques de paires fiches/prises. Les hauteurs de superposition disponibles dépendent du nombre de broches et du pas (Figure 5).

Figure 5 : La hauteur de superposition est sélectionnable en fonction du pas des connecteurs et du nombre de broches. (Source de l'image : Würth Elektronik, modifiée par l'auteur)

Pour comprendre ce principe, la hauteur de superposition de la fiche 658158303064 et de la prise 658101003064 (en bleu) est de 14,75 mm après raccordement. Si la prise est remplacée par un modèle 658105303064 (en vert), la hauteur de superposition est de 9,75 mm. Avec deux fiches et trois prises, six hauteurs de superposition, de 7,75 mm à 14,75 mm, sont disponibles pour les connecteurs à 64 broches de 1,0 mm. Le connecteur à pas de 0,80 mm offre une plus grande plage de hauteurs de superposition.

En revanche, la fiche 658855603100 à 100 broches à pas de 0,80 mm associée à la prise 658807713100 n'offre qu'une seule hauteur de superposition de 10 mm.

Applications

Les connecteurs carte-à-carte sont utilisés dans un large éventail d'applications, notamment l'électronique grand public, les systèmes embarqués à bord des véhicules, l'automatisation industrielle, les dispositifs médicaux et bien d'autres.

Les cartes mezzanines, qui utilisent des connecteurs carte-à-carte, peuvent être utilisées dans les circonstances suivantes :

• Pour les sous-ensembles qui nécessitent une meilleure circulation d'air et un espace physique accru pour le refroidissement
• Pour permettre l'utilisation d'un sous-ensemble commun à plusieurs modèles de produits afin de réduire les coûts
• Pour simplifier l'assemblage, en permettant aux deux cartes d'être assemblées séparément avant d'être connectées
• Pour permettre la déconnexion et la reconnexion des cartes à circuit imprimé, offrant ainsi une plus grande flexibilité de conception
• Pour les circuits spécialisés, tels que les alimentations radiofréquences (RF) ou haute tension (HT), qui peuvent être isolés sous forme de sous-ensembles mezzanines
• Pour mettre facilement à niveau les cartes

Ce ne sont là que quelques-unes des fonctions permises par une carte mezzanine dotée de connecteurs carte-à-carte.

Certifications environnementales et de sécurité

Les connecteurs WR-BTB sont certifiés ou conformes aux normes environnementales et de sécurité courantes applicables aux connecteurs (Figure 6).

Certification :

Figure 6 : Certifications environnementales et de sécurité de la série WR-BTB. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Conclusion

Les connecteurs carte-à-carte de Würth Elektronik utilisés dans les configurations mezzanines améliorent le rendement volumétrique, l'intégrité des signaux et la fiabilité des dispositifs électroniques. Ils permettent également une circulation d'air plus efficace pour le refroidissement, améliorent l'isolement électromagnétique et simplifient l'assemblage.