基板間コネクタの選択完全ガイド

投稿日四月 7, 2022
更新日七月 1, 2024

リボンケーブルを抜いたことがある人なら、誰でも古いデスクトップコンピューターの内部を見たことがあり、謙虚なピンヘッダーに馴染みがあるでしょう。このコネクタは、2つのボードを積み重ねた配置で接続する簡単だが効果的な方法です。実際、ArduinoやRaspberry Piのような人気プラットフォームのアドオンシールドボードを構築するために使用されており、これらはメーカースペースの外でも成功を収めています。最近のクライアントとの取り組みで、彼らがいくつかのRaspberry Piボードを積み重ねて重要な機器を動かしているのを見て驚きましたが、これはこの種のモジュラーシステムでのボード間コネクタの重要性を示しています。

ピンヘッダーはシンプルですが、それが役に立たないという意味ではありません。しかし、それが唯一の選択肢ではなく、高速/高周波システムや高電圧/高出力システム用の多くのボード間コネクタオプションがあります。これらのコネクタは、軍事装備から医療機器まで、多岐にわたるシステムに採用されています。次のハードウェアプラットフォームにモジュラーデザインアプローチを取り、複数のボードを簡単にリンクする必要がある場合は、ケーブルの代わりにボード間コネクタを検討してください。市場には、さまざまなシステムで信号の整合性と頑丈な設計を保証できる、多くのコスト効果の高いオプションがあります。

ボード間コネクタの多様なタイプ

ボード間コネクタは、多板PCBシステムにモジュラーな感覚を与えるために、さまざまな形状とサイズで提供されています。一般的なボードコネクタの多くのタイプがあり、異なるベンダーは一般的に以下にリストされているカテゴリーのいずれかに属する自社製品ラインを持っています：

ピンヘッダー：ほとんどの設計者は、1 mmピッチの1列または2列ピンヘッダー配置に慣れています。このスタイルには、積み重ねられたピンヘッダーなどのバリエーションがあります。ピンヘッダーは、ボードが接続されるときにピンアウトが一致することを保証するために、シュラウド付きおよびキー付き（複数キー付きもあり）にすることができます。
メザニンコネクタ：このタイプのボード間コネクタは、2つの平行なプリント基板を積み重ねた構成で結合します。メザニンコネクタのスタイルは多岐にわたります。ピンヘッダーをメザニンコネクタとして使用することもできます。
エッジカードコネクタ：このスタイルのコネクタは、RAMスティックやCOM/SoMでの使用が最もよく知られています。実際には、カスタムまたは標準化されたピンアウトを持つボードエッジに沿った任意のボード間接続に使用できます。
バックプレーンコネクタ：このタイプのコネクタは、高データレートを収容する必要があり、非常に頑丈な構造を持つため、独自のカテゴリーに値します。
標準化されたコネクタ：アドインカードのエッジコネクタスタイルを超えて、非常に特定の業界標準を満たすために開発されたコネクタもあります。特定のコネクタスタイルを定義している標準化団体には、VITA（バックプレーン用）、PCI-SIG（PCIeカード用）、IEEE（例えば、メザニン用の1386標準）、JTAG、PC/104（四角いポストピンヘッダー）などがあります。

上記のカテゴリーに当てはまらない他の多くのコネクタがあります。以下の画像は、これらのカテゴリーに含まれる典型的な製品の例を示しています。

上の画像は、市場に出回っているボード間コネクタの一部に過ぎません。明らかに、これらのコネクタにはピン/パッド数、キー/シュラウドスタイル、取り付けスタイル（SMD対スルーホール）、仕様など、さまざまなバリエーションがあります。ベンダーのウェブサイトを見たり、部品検索エンジンをフィルタリングしたりするとき、ベンダーが部品を分類するいくつかの異なる方法があります。

電気的アプリケーション

これらの異なるタイプのボード間コネクタの中には、頑丈化されたもの、高速のもの、高周波のもの、高電流/高電力のものなど、特定の指定で分類されることがあります。これは大部分がマーケティング用語であり、高速コネクタ、高電力コネクタなどの普遍的な定義はありません。重要な例外の一つは、特定のスタイルが異なるメディア（銅、ファイバー、同軸ケーブル）とペアになるANSI/VITA基準で厳密に定義されているバックプレーンコネクタです。もう一つの高度に標準化されたコネクタスタイルはIEEE 1386メザニンコネクタです。

頑丈なアプリケーション

他の多くのコンポーネントと同様に、ベンダーは製品を特定の業界に向けてターゲットにし、それらの業界の特定のアプリケーションをターゲットにしようとします。その結果、自動車、航空宇宙、産業システム、または電力製品などの分野をターゲットにする際に、硬質プラスチックのシールドで非常に頑丈化されたボード間コネクタのスタイルが見られることがあります。一般的に、標準コネクタの頑丈化バージョンは、ピン配置、取り付けスタイル、ピッチがそれほど頑丈でないバリアントと同じであることが多いです。

ボード間コネクタの選択

これで、ボード間コネクタを選択する際に考慮すべきいくつかのポイントを見ていくことができます。まず、いくつかの仕様を見てみましょう。その後、異なるコネクタスタイルの利点について考えてみましょう。

ボード間コネクタの仕様

ボード間コネクタには、コネクタスタイルを超えて考慮すべきいくつかの電気仕様があります：

ピッチとピン数：特定のアプリケーションに基づいて設計している場合や、高速・高周波数または高電流が必要な場合を除き、コネクタに必要なピッチ/ピン数から検討を始めることになるでしょう。低電力および低速信号の場合、ほぼすべてのコネクタが電力要件を満たしつつ信号の整合性を保証できます。
電力処理能力：通常、特定の電圧でのピンごとの電流として引用されます。ほとんどのコネクタは、典型的なアプリケーション電圧で数アンペアを処理できます。電力とデータの両方をケーブルを通じて供給することが一般的なので、電圧を確認することが重要です。電圧定格を超えないようにしたいです。
規格：コネクタに関する業界規格は、フォームファクター（上記で議論されたいくつかの例）、またはテストおよびアプリケーション仕様を規定することがあります。コネクタスタイルが準拠していることを確認するためにこれらをチェックしてください。
環境定格：湿度サイクリングによる電力変動、ガスへの露出、高温でのテストを含む仕様です。これにより、コネクタを使用して信頼性を確保できる場所がよくわかります。
データレート/周波数制限：高速データチャネルの場合、ベンダーが広範なテストを通じて決定する推奨データレート制限が表示されます。データレート制限はあくまで推奨であり、システムでこれを超えることが可能かもしれません。データレート/周波数仕様を破る予定の場合は、システムを十分にテストすることが重要です。
機械仕様：高品質のボード間コネクタのデータシートには、設計者が耐久性を理解するのに役立つ機械的衝撃、振動、引っ張り力、またはその他の仕様に関するデータが含まれている場合があります。これらは、業界標準に準拠するためのテスト結果としてリストされている場合があります。
フォームファクター：一部のボード間コネクタ（エッジコネクタなど）はかなり大きくなることがあります。他のコネクタは、Hiroseの低プロファイルメザニンコネクタのBM20シリーズのように、低プロファイルを特に意図して設計されています。システムのフォームファクターとエンクロージャ要件に注意してください。

前のセクションで示されたさまざまなスタイルは、既存のシステムとのインターフェースが必要な場合に制約となる可能性があり、任意のコネクタを選択する自由がないかもしれません。多くの場合、考慮はいくつかの電気的または機械的制約から始まり、プロファイル/エンクロージャ要件を満たすために必要なフォームファクターやコネクタスタイルを選択します。

コネクタスタイルとフォームファクターを自由に選択できる場合、各タイプのコネクタには考慮すべきいくつかの利点があります。

ボード間コネクタスタイルのいくつかの利点

市場には多種多様なボード間コネクタスタイルがあるため、すべてのタイプのコネクタを完全に比較することは不可能です。しかし、異なるシステムでの利点や欠点を明らかにする異なるコネクタスタイルについて理解すべきいくつかの基本的な点があります。

エッジコネクタ

エッジコネクタはスライド接触を使用して電気的接続を行い、これらは繰り返し接続を行うことで最終的に摩耗することがあります。摩耗はカード側または受け側のどちらかで発生する可能性があります。ボードを繰り返し接続および取り外す必要がある場合、多くの場合、接触寿命が長い代替スタイルがより良い選択肢となるでしょう。

完全シールドまたは同軸スタイル

一部のコネクタには、高い電力伝送を可能にし、シールドを提供し、RFシステムに利点をもたらす同軸スタイルがあります（下記参照）。完全シールドコネクタは、高電力アプリケーションに理想的であり、ボード上で過度に大きくなることなく、はるかに高い電流定格を持っています。これは、最大1Aの電流定格を持ち、高速/RFデータに役立つものがないピンヘッダーよりも良い選択肢です。

ロープロファイル水平コネクタスタイル

コネクタの向きによっては、ボードを平行に配置できるかもしれませんが、ボードは垂直ではなく水平に取り外すことができるかもしれません。例えば、上に示されたHiroseコネクタは垂直に取り外す必要がありますが、エッジコネクタやメザニンコネクタには、非常に低いプロファイルを維持しながら水平に挿入/取り外しが可能なものがあります。これは、アドインカードにアクセスする必要があるロープロファイルアプリケーションにとって非常に貴重です。

ピンヘッダーブロック

高電流、高絶縁、または非常に正確な信号整合性を心配する必要がない場合、スタッカブルなピンヘッダーは、システムに複数レベルのモジュラリティを追加する素晴らしい方法です。ピンヘッダーブロックはスタッカブルであるように選択でき、これにより複数のカードをバスに配置したり、複数のボードに並列に電力を供給することができます。各モジュールでデータアクセスが必要な場合は、ピンヘッダースタック全体でピン配置が一致していることを確認してください。

高速および高周波についてはどうでしょうか？

Gbps/GHzレベルに達する高速/高周波では、ボード間コネクタを選択する際に信号整合性が重要な点となります。データシートやメーカーのサポートページで、以下のような指標を探してください：

インピーダンス：同軸トポロジーを持つRFコネクタは、特定のシステムインピーダンスに接続する必要があるため、指定されたインピーダンスを持ちます。インピーダンス仕様は、-3 dB周波数である可能性がある指定された帯域幅まで有効です。
Sパラメータデータ：コネクタで何らかのシミュレーションを行いたい場合は、Sパラメータデータが必要になります。これは、PAM4、SerDesチャネル、またはPCIe、GDDR6などの新しい高速シグナリング規格のような技術にとって非常に重要であり、これらのシミュレーションはシステム検証の重要な部分です。
ピン間隔離：RFボード間コネクタは、すべてのピンが完全に遮蔽されている場合があり、これは他のコネクタスタイルでは常にそうではありません。これらのコネクタは高い隔離性と低いピン数を持ちます。また、これらは一般にかさばります。これらのボード間コネクタのいくつかは、利用可能なケーブルコネクタバリアントを持っています。

複数のベンダーをフィルタリングして特定のタイプのボード間コネクタを見つける必要がある場合は、Octopartの高度な検索およびフィルタリング機能を使用してください。Octopartの電子部品検索エンジン機能を使用すると、業界、技術仕様、シグナリング標準など、多くのフィルターを使用してコネクタを選択できます。また、ディストリビューターの価格データ、部品在庫、部品仕様、CADデータにアクセスでき、すべてがユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用できます。コネクタページをご覧ください必要なコンポーネントを見つけてください。

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