单方向分离式母板互联设计技术*

郑大安

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引 言

对于现代很多电子设备，功能成倍增加，体积及重量要求成倍减少。为了适应这些形势的发展需要，有限空间最大化的利用是解决这个主要矛盾的必由之路，随之而来的就是高密度、集成化、无引线的立体组装技术［1］。在模块化整机立体互联时，需要母板、背板等进行电路模块之间互联。

分离式互联母板由刚性印制母板和互联连接器组成，两者之间通过互联触点接触实现电信号传输。根据互联模块的数量，可以重复循环地加以扩展，连续传输各模块之间的电信号，形成物理意义的母板［2］。

国内外在常规的模块电路互联中，通常采用不可分离的母板进行模块之间的电信号通信，可分离母板技术国内外文献中未见报道。

本文将介绍一种全新的分离母板技术——单方向分离式母板互联技术，在单方向(Z 向)随电路模块快速可分离及平整、可靠地互联，达到模块接口扩展目的。该技术属于母板互联的一种新形式，它具有架构紧凑、协作紧密、互联离合快捷、维修方便等优点［2］。

2 问题提出

图1 模块化整机Fig.1 Separated motherboard and motherboard

在常规的模块电路互联中，通常采用母板进行模块之间的电信号通信，主要有一体化不可分离的总线刚性母板和刚挠互联母板等。这些母板是由一块整体母板组成，即不能分离的母板，采用这种不能分离的母板互联，限制了电路模块只能在某个单边进行互联。

在某通信设备中，电路模块之间就采用了母板互联，每个模块在互联的母板上插件通道/端口芯数最大数量为300 芯，属于密度较高的母板接口。但在其改进设计型号中，要求模块总数量减少，其中还有几个模块需要进一步扩展电路功能，导致这些模块需要更多的通道/端口支撑对外互联的通信，原有的母板接口300 芯已经不能满足要求，严重制约了这些模块电路性能的扩展。唯一能满足模块增加对外电路通道/端口的方法，就是在模块的其他面增加母板来进行数据通信。该方法理论上是可行的，但是实际上每个电路模块装在整机机箱中，只能在一个方向进行拔插，增加传统意义的母板进行模块互联根本行不通，研究一种可以分离的互联母板来增加电路模块对外进行电路信号的通道/端口显得非常迫切和必要。

分离式母板互联技术主要体现在快速可分离及平整、可靠的互联，达到模块接口扩展目的。互联后平整性和可靠性是互联母板设计的最终目标，本文就立足于该目标，介绍分离式母板设计技术。

3 分离式母板互联设计技术

互联母板设计包括互联设计、结构设计、印制板设计、可靠性设计等。由于分离母板在分离的组合方式设计、互联区域和空间、互联母板互联点的设计以及分离母板的可靠性均不同于传统的互联母板，因此，互联设计技术属于全新的技术。

3.1 互联母板互联设计

传统的母板技术，由于是整个印制板的设计，不需要进行电气信号线的划分，分离母板就必须将原本一块印制板的通信信号原理图进行“切断”，便于物理意义的分离。

互联根据所有模块需要进行通信的信号原理图，以模块为单位，在分离式母板之间接口处进行的信号线的“切断”。在设计PCB 中，“切断”位置即互联区域，设计成与互联方式相对应的交错形式，如图2中所示，便于分离式母板整体互联的平整性。

图2 分离式母板互联示意Fig.2 Separated motherboard interconnection

每个独立的分离单元，互联区域设计成台阶形式，是实现分离式母板整体互联的平整性关键。

大豆主根具有明晰的粗度变化，拓扑结构可以看作是从上至下半径逐渐缩小的圆柱体，主根的每一段可以用一个倒置的圆台进行表示，主根的每个断面都是一个圆截面；主根可以由无数个圆台组合逼近来表示，圆台的长度l越小则得到的图形就越平滑，就越接近于真实大豆主根。

分离式母板的互联设计中，互联方式可以采用微型插针垂直互联或新型微型连接器进行互联。

(1)微型插针垂直互联

当采用微型插针垂直互联时，在分离式母板互联处，两块母板上互联位置均设计与互联插针相匹配的盲孔，在其中一块母板上盲孔位置组装插针，与母板分离方向一致，便于快速分离(如图3)。主要考虑插针的平行性、共面性和精度，以及插针的材料的研究，其中插针的平行性、共面性和精度以设计相应的工装夹具保证，插针的材料根据具有一定的强度、耐磨性和导电性的要求进行综合考虑选取。

图3 微型插针垂直互联Fig.3 Minute pin interconnection

(2)微型连接器互联

两块母板互联采用微型连接器互联时，两块母板互联位置之间必须设计便于固定微型连接器的位置和空间(如图4)。微型连接器的种类很多，尺寸各异，必须根据其结构尺寸来设计每块母板在交错区域的结构参数，才能保证互联处的平整性。

图4 微型连接器互联Fig.4 Minute interconnection

(3)组合方式设计

即基于上述两种方案组合方式设计。为了便于模块更换，母板按照图4的排列方式进行组合。在更换两端的模块时，只需要直接更换，抽取模块数量最少为1 块;在更换中间的模块时，需要把两端的模块取下才能进行更换，抽取模块数量至少为2 块，这样，在有很多模块互联的情况下，保证了在上述母板设计形式下抽取模块数量最少为1 块，最多为2 块。

3.2 互联母板互联结构设计

前文提到，互联区域必须是“台阶”形式，因此，分离母板的设计还得借助于三维立体的结构设计，才能达到设计需要的效果。这也是不同于传统母板只需要平面设计的地方。

根据电路模块尺寸，确定分离式母板的基本外形，根据微型连接器的尺寸，确定互联台阶的几何尺寸，结合组合形式及平整性要求，通过UG 三维设计软件，设计出分离式母板互联台阶的厚度、互联横向宽度等具体的尺寸。

现以厚度为1 mm 微型连接器为例来说明具体设计。微型连接器厚度决定了互联区域Z 向最大空间是1 mm，那么，分离式母板承载微型连接器的厚度根据其机械应力确定，这里暂且设定为1 mm。最后确定分离式母板总厚度为3 mm。微型连接器的宽度确定了互联的X 方向的结构尺寸。分离式母板的实际设计效果如图5和图6所示。

图5 分离式母板结构设计实例Fig.5 Separated motherboard structure

图6 分离式母板结构设计整体Fig.6 Separated motherboard interconnection

3.3 分离式母板的印制板设计

目前所有印制板设计软件如Protel、mentor 等，都只能将元器件布置在顶层(Top)和底层(Botm)，而分离式母板需要在台阶上布置微型连接器，将会有多个顶层(Top)和底层(Botm)，与软件的功能有些冲突，如果按照一般的设计，器件永远不能放置在台阶上。分离母板必须突破该设计障碍，才能做出相应的印制板。

分离式母板外形确定后，可以在印制板设计软件上进行布局及布线设计。通过分析研究，之所以元器件只能布置在顶层(Top)和底层(Botm)，是由于元器件的焊盘库设计中，通常要求焊盘只能设计在顶层(Top)，在布局时只可以改变为底层(Botm)，其他中间层不能接受。要解决这样的问题，办法只有两个:要么进行印制板设计软件的开发，使元器件能在任何一层进行定义;要么对于台阶上的元器件进行专门的设计处理，达到设计要求。通过论证研究，发现在每种印制板设计软件中，通孔能满足同时在每个图层任意放置要求，如果将微型连接器的焊盘设计成通孔，定义成“Multilayer”，同时孔径设置为“0”，就可以建立能在每个图层任意放置的贴片微型连接器的库文件，就可满足放置在包括台阶层的中间层、顶层(Top)和底层(Botm)，从设计上满足布线要求。图7是分离母板设计实例。

图7 分离式母板印制板设计图(分别对应图6中的3 块分离母板)Fig.7 Separated motherboard design drawing

3.4 台阶母板互联的可靠性分析与设计

由于分离式母板与传统意义的整体总线母板相比，可能互联可靠性不如总线母板，因此，对分离式母板进行可靠性分析与设计显得尤为重要。可靠性分析与设计中，主要对分离式母板互联结构进行模态分析和随机振动分析。通过模态分析，知道了互联点接触力满足可靠性要求的力学条件;通过随机振动分析，知道了最大应力出现位置［1，3］。这些结论为分离式母板可靠设计提供有力的理论支撑。该部分内容是与别的单位合作研究的，具体见文献［2］，此处不再赘述。

通过可靠性分析与设计，在互联区域采用紧固螺钉增加相应法向力，保证了可靠接触，增强了抗振动能力［1，3］。依此设计后的分离母板样件，对分离母板的互联点进行串联后通电来验证电性能可靠性，如图8所示。因为在串联中，有某个点出现失效，整个分离母板就失效。在随机振动耐久试验过程中及试验后，测试的电信号均保持正常，没有发现任何互联欠缺，证明了设计的可靠性满足要求。

图8 分离式母板试验测试Fig.8 Separated motherboard test

4 分析与讨论

分离式互联母板从分离方向可以分单方向分离互联母板和多方向分离互联母板，文中主要论述的是单方向分离互联母板技术，也是目前已经实现了的一种分离式母板互联技术。另外，本文基本上是以单方向分离式母板中的弹性接触互联为例，介绍了分离式母板可靠性设计技术，技术上显得有点单薄，但是文中的设计思路和方法对其他互联设计还是具有指导意义。

5 结束语

本文介绍的单方向分离式母板互联设计技术适合于组合式电路模块之间的互联。由于分离式母板互联技术涉及的技术面很多，本文单独论述了设计方面的相关技术，对于分离式母板互联技术的互联实现等技术将另文论述。相对于单方向分离母板技术，对于多方向(X、Y、Z 方向)分离互联母板［2，4］，也有相应的探索与研究，适用可能要好些，但会有可靠性的问题需要解决。

［1］ 周德俭.分离母板互联结构参数优选设计与可靠性分析［D］.桂林:桂林电子科技大学，2010.ZHOU Dejian. Parameter Optimization Design and Reliability Analysis of interconnection structure of separated motherboard［D］. Guilin:Guilin University of Electronic Technology，2010.(in Chinese)

［2］ 郑大安. 单方向分离式可扩展互联母板:中国，ZL200910059842.3［P］.2011－06－22.ZHENG Da'an.Single direction Separated motherboard:China，ZL200910059842.3［P］.2011－06－22 .(in Chinese)

［3］ 陈田海，周德俭，吴兆华，等.分离母板互联结构动力学仿真研究［J］.电子元件与材料，2010，29(2):62－65.CHEN Tianhai，ZHOU Dejian，WU Zhaohua，et al. Study on dynamics simulation of interconnection structure of separated motherboard［J］. Electronic Components and Materials，2010，29(2):62－65.(in Chinese)

［4］ 郑大安. 多方向分离式可扩展互联母板:中国，ZL200910059841.9［P］.2010－12－29.ZHENG Da'an.Multi－direction Separated motherboard:China，ZL200910059841.9［P］.2010－12－29.(in Chinese)