CN1220506A - 高密度填隙式连接器系统 - Google Patents

Abstract

高密度插座包括:一个壳体部,其前面上有许多孔;含有第一数目的接触元件的第一行相对于壳体定位成使接触元件的接纳部与一些孔对齐;含有第二数目的接触元件的第二行相对于壳体定位成使接触元件的接纳部与另一些孔对齐。最好插座有多个第一和第二行,它们交替地并排布置。第一行有第一晶片且接触元件装在其上,第一晶片的侧面有栓。第二行类似第一行构造,但其上有孔。第一和第二晶片并排布置时,前者的栓插入后者的孔。

Description

高密度填隙式连接器系统

本发明涉及电连接器，更具体点说，涉及高密度插头和插座连接器系统，其中插头和插座的触点被赋予特定的信号和电压电平，以便提供电信号的完整性。

数据处理电子装置和通信系统的设计的不断进展对电连接器提出强烈需求。具体地说，设计进展增大固态器件的集成度并增大数据处理和通信的速度，需要密度和销数(针数)较高的电连接器。将连接器设计成具有高密度和高销数需要仔细考虑触点间距减小以后所会发生的问题。主要的问题是，随着触点间距的减小，在触点之间不希望有的电串音将会增加。

密度和销数通常被看作可以互换，但它们之间有重大区别。密度指每单位长度所提供的信号触点数，而销数指能够适当地承受插合力和拔出力的接触元件数。

由于较多的功能被集成到半导体芯片上或柔性电路基片上，而较多的芯片被设置在印刷电路板(PCB)上，每一PCB或柔性电路必须设有较多的输入口和输出口(I/O)。对较多I/O的需求直接会转变成为对较大密度的需求。

另外，信号频率会随着数据处理和通信速度的增加而增加，传统的设计连接器的方法较少能适用。用在高速的板对板的、板对电缆的和电缆对电缆的联络上的连接器就设计的目的而言可以把它当作传输线来处理，其中串音和噪声成为重大的要关注的事项。实际上，高速的板对板的、板对电缆的和电缆对电缆的联络的电效能就是由在连接器界面上引入的串音和噪声的数量来决定的。

在被本文参考引用的、授予Lemke的美国专利4,824,383号中可认识到设计连接器的一个重要依据是在提供电连接的同时防止构件效能的降低。在该专利之前，曾提出这样的连接器设计，其中引用地平面和交替的接地触点连同屏蔽的延伸部来尽可能缩小电的不连续即串音和噪声。在这现有技术的器件中，虽然效能得到控制，密度却受到限制。

美国专利4,824,383号曾提出适用于多条电缆或多个线迹基片的插头和插座连接器的设计。在该设计中单个接触元件或成组接触元件都被电绝缘，以防止或减少串音和信号降级。在单个被绝缘的设计中，导电的底板设有多个并排排列的壁，从而形成多条通道。由电绝缘材料制成的触点支承件被设计成具有多个指状件，其中每一个指状件都分别被定位在一条通道内。触点支承件的每一个指状件都分别支承着一个单个的接触元件。

虽然，在美国专利4,824,383号中公开的连接器能增加接触元件的密度，但由工业驱动的对密度的需求仍不断在增长。在被本文参考引用的、授予Lemke等人的美国专利5,057,028号和5,169,324号(现为美国专利Re.35.508号)曾公开两排的插头和插座连接器，以便装在印刷电路板(PCB)上使密度增加。虽然，这种插头和插座系统能提供较高的触点密度，但电绝缘主要是在成组触点(触点组)之间由连续的金属结构完成的，而不是在单个触点之间完成的。

在单个触点之间提供绝缘的尝试中曾提出各种设计方案。这些设计方案可一般地归类为：同轴结构(单一触点完全被一导线包围)、准同轴结构如成双结构(两个触点被一导线包围)、微波传输带结构(多个触点设在单一地平面的一侧)和夹心线(带状线)结构(多个触点夹在两个地平面之间)。

美国专利4,846,727、5,046,960、5,066,236、5,104,341、5,496,183、5,342,211和5,286,212号曾公开采用到插头和插座系统内的各种夹心线结构。但一般地说，这些系统可被描述为，设有多个接触元件行，而在每一行之间设有导电板。连接器被这样设计使插头与插座的接地板互相接触。每一排插座接触元件都被模制在一个介电材料的框架内。因此整个插座组合件包括一个壳体，其上以交替的层次装着接地板和介电质框架。

特别要提到美国专利5,046,960号，该专利指出，这种连接器由于其在每一触点之间的介电材料的数量可能不合乎高密度用途的需要。该专利提醒，如果要减少介电材料的数量，那么连接器的电性能，特别是阻抗性能，也会改变。该专利还说，希望有一个连接器，它能提供一个较密的接触件阵列，而仍维持较不密的连接器所具有的那种电性能。这种电性能据说可在紧接着接地的、连续的导电板部分的周围设置空气容器来部分达到。该专利还公开可用来包围插座外部的外屏蔽。但这种系统的问题之一为，由于导电板的连续结构和在导电板之间存在着介电材料，因此信号通过连接器的速度便会受到限制。

本发明部分涉及上述同轴和成双(双股)绝缘方案的修改。已经发现，只要在一阵列中选择特定的接触元件作为信号触点和接地触点便可得到令人满意的绝缘。例如选用阵列内的中心触点来传输串音产生信号的电位而将周围的触点都接地。这种接触元件的模式曾在美国专利5,174,770、5,197,893和5,525,067号中提出。

上述连接器系统存在问题之一为对于某些用途来说，触点密度仍然不够用。另外，由于接地板为一连续的金属结构，这种结构的电容或阻抗性能会随着速度的增加变得格外有影响。增加信号速度，如同本文所使用的，意味着减少脉冲的兴起时间。但当兴起时间减少到小于连接器结构的传播时间延迟性能的某一点时，不需要的串音便会发生。

因此连接器系统仍然需要增大可用来委派接地/信号的接触元件数同时减少串音。

曾经注意到在高密度的连接器系统中，如果考虑到互连点上的电容性能，上述许多问题都可解决并可得到其他一些好处。就这方面而言，对于高速信号即具有极短兴起时间的信号，如果在连接器构造中考虑到连接器传播延迟时间对信号兴起时间的比率，那么现有连接器系统存在的问题就可克服。当互连距离一般可认为恒定时，连接器传播延迟时间与连接器系统的电容性能有关。

在本发明的连接器系统中，系统的插座构件包括一个壳体部，在其前面制有多个孔。含有第一数目接触元件的第一行相对于壳体被定位成使接触元件的接纳部对准某些孔。含有第二数目接触元件的第二行相对于壳体被定位成使接触元件的接纳部对准其他(另外)一些孔。

插座最好包括多个形成触点行的第一层和第二层，其中各层边靠边地按交替模式排列。在本实施例中，壳体最好还有一个盖件，其上制有一系列的突部和凹腔。第一层的定位靠近突部，而第二层的定位靠近凹腔或凹槽。

壳体最好还有一个顶面，其上制有对准突部。

在一个实施例中，第一层包括第一晶片，而接触元件被装在第一晶片上。最好接触元件被模制在第一晶片内。在本实施例中，第一晶片是由绝缘或介电的材料制成。第一晶片还包括在其一个侧面上制出的栓，该栓最好有一开缝的构形。在本实施例中，第二层最好有与第一层类似的构造，即包括第二晶片，而接触元件被装在第二晶片上。但第二晶片最好在其上制有孔而不是突部。当第一和第二晶片并排布置时，第一晶片上的栓被插入到第二晶片上的孔内。

最好在第一晶片内的接触元件数为奇数，而在第二晶片内的接触元件数为偶数。并且最好第一晶片和第二晶片的接触元件的数目只相差一。这样，插座部和尾部就可按交替的方式排列，只需较少的空间便可装到电路板上，那就是说，它是一个高密度的插座。

在这种高密度的互相连接中，销的委派可得到所需的绝缘效果。为此目的某几个销的委派可先作出。例如，第一层的接纳部可被预先选定为接地。在这样一个实施例中，也可安排第二层的接纳部使它们每一个都接收信号。

参阅下面结合附图作出的关于本发明的详细说明，当可对本发明及其多个目的和优点有更好的了解。在附图中：

图1为一透视图一般地画出一个按照本发明构造的插座；

图2为图1中的插座从相反的角度看去的透视图；

图3为图2中沿3-3线切开的剖视图；

图4为图2中沿4-4线切开的剖视图；

图5为图3中用剖面画出的接触模块的透视图；

图6为图5中用剖面画出的接触模块从相反的角度看去的透视图；

图7为图4中用剖面画出的接触模块的透视图；

图8为图7中用剖面画出的接触模块从相反的角度看去的透视图；

图9为按照本发明构造的插头的底透视图；

图10为图9中画出的插头的顶视图；

图11为按照本发明作出的信号委派模式的图解图；

图12为按照本发明作出的信号委派的另一种模式；

图13为按照本发明作出的信号委派的另一种模式；

图14为图5到8中用剖面画出的接触模块的可替代实施例的接触模块的装配组合件的透视图；

图15为图5到8中用剖面画出的接触模块的可替代实施例的接触模块的装配组合件的另一个透视图；

图16为图14和15中画出的装配的接触模块的前视图；

图17为图14和15中画出的接触模块之一的透视图；

图18为图14和15中画出的接触模块之一的另一个透视图；

图19为图17和18中画出的接触模块的前视图；

图20为图14和15中画出的接触模块中的另一个的透视图；

图21为图14和15中画出的接触模块中的另一个的另一角度的透视图；

图22为图20和21画出的接触模块的前视图；

图23为特别适用于图14-16画出的接触模块实施例的按照本发明构造的插头的透视图；

图24为图23中画出的插头的剖视图其中有一个销已经插入；

图25为图23中画出的销的多个销的顶视图；及

图26为按照本发明作出的信号委派的另一个模式。

下面将结合一个高密度连接器系统来说明本发明，该系统处在一个以数字式数据所代表的信号被传输的环境中。为了说明本发明的某些特性并为了了解本发明的某些优点，我们提到高速信号，即具有极短兴起时间的信号。应该知道这种信号在性质上都是脉冲式信号，其中兴起时间代表信号从低逻辑电平转移到高逻辑电平所需的时间。在这方面，我们还提到传播延时和反射的现象。应该注意到这样描述只是为了便于说明的目的，并不想要限制本发明的范围或用途。

按照本发明构造的、用在电连接器系统内的插座连接器30在图1中一般地示出。已经发现，高密度连接器能达到高速的效能，即在注意到选配阻抗和防止反射的条件下，有能力传输具有极短兴起时间的脉冲式信号。为了达到这个目的，应该注意到较高的信号速度意味着较短的信号兴起时间。如果连接器的传播延时(传输延时)大于信号兴起时间，那么反射将会发生。应该注意到连接器的传播延时与阻抗的错误匹配。如果传播延时能被保持在一个比要被传输的信号的兴起时间的一半还小的值，那么可以说阻抗已被匹配到足够程度，因此不会有任何显著的反射发生。本发明的连接器的实施例引入的结构能够缩小电容、增大信号速度，从而减少传播延时和串音。

所示插座连接器30包括一个壳体部32和一个触点安装部34。壳体32包括一个前壁36、顶面38、一个向前的定向部40和一个向后的安装部42。在前壁36上制有一系列的孔44。孔44最好按填隙的模式排列，即这些孔被排列成行，其中在一行内的孔与相邻行内的孔处在偏置(错开)的关系。如同将在下面说明的那样，每一孔44都各具有一个与它连结的相应的接触元件。

现在参阅图2，插座30以相反角度的透视图被示出。安装部42被示出包括有一系列的凹槽50和突部52。如同结合图3到8将要说明的那样，装配在插座30内的接触元件是以模块的形式提供的。具体地说，模块54提供6个接触元件，模块56提供5个接触元件。

现在参阅图3，模块56被示出包括有一系列接触元件58，每一接触元件设有一个插座部60和一个尾部62。接触元件58被模制在晶片64内。晶片64最好由介电材料制成。虽然以前没有提过，但最好壳体32也由绝缘材料制成。如图3所示，每一接触元件58的插座端60都连接着壳体32的前壁36上的一个分立的孔44。

现在参阅图4，模块54被较详细地示出。多个接触元件66被模制在晶片68内。每一接触元件包括一个插座部70和一个尾部72。与图3所示的插座部60类似，每一插座部70都与壳体32的前壁36上的一个孔44连通。晶片68同样最好由介电材料制成。需要注意到尾部62和72按错开的偏置的关系排列。这个偏置或填隙的关系向前进行到插座部60和70。比较图3和图4可以知道，最外面的插座部70位在最外面的插座部60的外面。如从前壁36上画出的整个模式可以知道，模块56的插座端60被偏置或向侧边定位到模块54的插座端70之间。需要注意到在插座端60和70之间的偏置关系还会造成一定程度的水平方向上的重叠，这将结合图11-13较详细地说明。

现在参阅图3、5和6，其中模块56将更详细地被显示。模块56被示出包括有一个一般为平面的中心部74，在其周围围有突起的外壁76。壁76作为突起是从中心部74的两侧向外伸出。有一对安装栓78和80设在模块56的一侧。如图5所示，每一安装栓具有一个开缝的栓构造。如同以后将会知道，栓78的前面的直径略大于它所要插入的孔(未示出)。开缝栓的设计能够得到良好的摩擦接合。在该较优实施例中，中心部74、外壁76及栓78和80环绕接触元件被整体制出。

每一模块56包括有多个接触元件58。每一接触元件58都有一个前部61、一个中部63、一个固定部65和一个尾部62。固定部65被装在或设在中心部74内，使接触元件被固定并互相对齐。如图3所示，接触元件行相对于壳体32而被定位，使接触元件58只有部分能潜在地与壳体32接合，那就是与定向部40接合的前部61。前部61被在前壁36内侧上制出而环绕每一孔44的凹窝67夹持在位。中部63与壳体32没有什么接触，并且最好不与任何介电结构接触，同时没有任何介电结构在接触元件之间。最好中部63能被空气包围。用空气包围中部63时，插座30的有效电容可大为减少，并且传播延时亦可大为减少。

现在参阅图4,7和8，模块54将被较详细地说明。模块54包括有多个被模制在由介电材料制成的晶片内的接触元件66。晶片68被示出包括有一个一般为平面的中心部被一突起的肩部或边界部84环绕着。肩部84从中心部82向外伸出并环绕其周围延伸。将可知道，当中心部54和56如图2那样装配时，突起的肩部76和84(见图6和8)将会在中心部之间形成空气窝(间隔)。这种空气窝的造成能进一步减少插座30的有效电容，从而可增加速度/减少传播延时。如图8所示在模块54上制有一对孔86和88并且各有一个颈圈90和92。

每一模块54包括多个接触元件66。每一接触元件66都有一个前部71、一个中部73、一个固定部75和一个尾部72。固定部75被装在或设在中心部84内，使接触元件被固定并互相对齐。如图4所示，接触元件行相对于壳体32而被定位使接触元件66只有部分与壳体32接合，那就是与定向部40接合的前部71。前部71被在前壁36内侧制出并包围着每一孔44的凹窝77夹持在位。中部73与壳体32没有任何接触，而且最好不与任何介电结构接触，也没有任何介电结构存在在接触元件之间。最好中部73能被空气包围。用空气包围中部73，可大为减少插座30的有效电容并可大为减少传播延时。

从图5到8将可知道设置开缝栓78和80的目的是要将它们插入到孔86和88内，从而将模块56和58夹持在一起。结合图5到8应注意到中部63和73可被空气包围。这种结构安排可造成接近1的有效介电常数。这样一种低而有效的介电常数趋向于减少串音、减少信号传播延迟时间对兴起时间的比率并有助于在连接器及其互连的那些系统之间达到一个较精细的阻抗匹配。

应该注意到，虽然接触元件58和66从一行到另一行的数目不同，但它们一般在构造上是完全相同的。这样一种结构的同一性使在委派(指定)信号和接地销时可有较大的灵活性。另外，前部61和71包括有一对面向内的隆起，该隆起可用来增强接触和保持的功能。

现在参阅图9和10，其中示出一个插头100。插头包括两个侧壁102和104及一个基部106。多个销108被定位在基部106上。从图10还应知道，销108被布置成一个与壳体32的前壁36上的孔44的模式相应的交错的模式。

现在参阅图11、12和13，其中示出各种接触元件的委派(分配)。在图11中，接触元件被这样委派以便造成夹心线结构的形式。划有剖面线的元件被接地，而开放的或空白的元件则供以信号。在图12中，供以信号的接触元件进一步被划分使不同的信号供到交替的接触元件上。将可知道不同的信号可采取这样的形式，即在相位上转过180°从而形成一对不同的信号。在图13中，某些在图12中被接地的接触元件被保留不使它们接地也不供以信号。

应该注意到每一行对相邻行会提供一定数量的重叠。这种重叠的两个例子在图12中画出并用“A”指出。虽然这种重叠趋向屏蔽载有信号的接触元件，但它应被减少，以减少电容。通过减少电容可以减少传播延时并可在高密度的接触布置内更好地匹配阻抗。最好重叠量不超过接触元件宽度的一半。

在考虑本发明的可替代的和较优的实施例之前，首先应考虑上述连接器系统的某些限制。在这种连接器(见图11-13)中，潜在的接地触点位在一个2mm的方形格栅的相邻角落内，信号触点位在1mm间距的行内，其位置相当于接地点的方形(格栅)对角线的交叉点。这样，除了带来准同轴结构的连接器外形外，对设计人员来说有两方面的含义。第一，触点组件在相邻的信号终端和接地终端之间的最宽部分的相互间距很紧，这会使终端组件和连接器制造难于进行。第二，板孔的有效节距为1mm的格栅的压配合终端方案是难以实现的，不仅在敷线方面而且在轨道(线迹)路线选择方面。另外在这种外形下电路板上的阻抗会显著下降，在较高频率下有可能造成阻抗的错误匹配及过高的反射和信号扭曲。

再者由于下列原因，连接器装配可能难于进行：空间的限制；连接器容易发生由于误操作而引起的短路；及增加连接器的插入/拔出力，从而需要限制配合循环数。

考虑到上述问题，于是寻求在相邻的接地终端和信号终端之间增加相互间距的手段，不仅在配合的组件上，而且在电路板的层次(水平)上。下面要说明的45°扭转实施例是解决这些问题的方案。

现在参阅图14-16所示出的另一个实施例，其中接触元件的接纳部或插座部已从垂直方向或图6和8中画出的原来取向扭转或旋转大约45°。这个扭转角可以是任何其他任意选定的角。如图16所示，固定在模块56′内的接触元件58′从垂直方向逆时针地被旋转45°，而固定在模块54′内的接触元件66′从垂直方向顺时针地被旋转45°。这样，元件56′和58′一般是正交或相互成90°。接触元件的旋转在图17到22中更具体地被画出。

在将每一个接触元件从垂直方向扭转约45°后在触点之间的电容耦合就被减少，这是因为在同一行内触点之间的距离被增加，因此在插座和在相应的插头连接器中串音都可减少。应该注意到这个大约45°的扭转可给接触元件之间的间距增加40％，从而可减少电容。但也应注意到，扭转接触元件也会使接触元件行间的重叠量增加。还应注意到，接触终端的从保持部74′和82′的后面向电路板(未示出)延伸的后部也可以进一步扭转及/或作直角弯曲，以便形成一个压配合的贯穿安装或表面安装的尾端。如果采用扁平的侧销，那么每个销也必须绕其纵轴线旋转。

现在参阅图23，其中画出按照本发明构造的插头120，该插头包括多个按填隙模式排列的销122。这样，销122就定向排列成多列124和126，其中一列的销与另一列的销处在偏置关系。这个偏置关系造成的销模式(布型)能与图1中画出的在前壁36上的孔44对准。

如图24所示，插头120包括一个本体部128，通过该部制出一系列的孔130。销122通过孔130并被固定在其内。

如图25所示，销122被构造成使每一个侧面的取向部与垂直方向偏离约45°或与图6和8中画出的取向偏离45°。采用这样一个构造连同图25所示的填隙式排列，可在相邻列之间得到小量的水平重叠“A”。这个重叠为一有效的电重叠，并可有助于销的电绝缘。

现在参阅图26，其中示出采用本发明的扭转实施例时的一个委派模式。应该注意到采用这个实施例会造成重叠的增加，一方面虽能减少这样一种信号委派的串音，但在另一方面，也会增加插座的有效电容。

应该注意到上述连接器系统的目的之一是要将传播延时保持在一个低于信号兴起时间的值上。在这种方式下，由连接器设计结合提高信号电压而引起的任何所谓反射在实际上将可被隐藏在下一个兴起时间内。

虽然本发明就具体实施例作了说明，但本领域的技术人员可由此得到启发，作出各种修改和变化而仍不离开本发明的原理，这些修改和变化理应属于本发明的范围内。

Claims (23)

1．一种插座，它包括：

一个壳体部，在其前面制有许多孔；

含有第一数目的接触元件的第一行，其中每一接触元件均有一个接纳部和一个尾部，所说第一行相对于所说壳体定位成使所说接触元件的接纳部与一些所说孔对准；及

含有不同于第一数目的第二数目的接触元件的第二行，其中每一接触元件均有一个接纳部和一个尾部，所说第二行相对于所说壳体定位成使所说接触元件的接纳部与其他一些所说孔对准；并且当所说第一和第二行相对于所说壳体被定位时，所说第一和第二行的接纳部处在互相偏置的关系。

2．按照权利要求1的插座，其特征为，还包括多个所说第一和第二行，其中所说行按交替的模式并排地布置。

3．按照权利要求2的插座，其特征为，在相邻行中的所说接触元件部分地相互重叠。

4．按照权利要求2的插座，其特征为，所说壳体还具有一个盖件，该盖件上具有一系列的突部和凹腔。

5．按照权利要求4的插座，其特征为，所说第一行的一边的定位靠近所说突部，而所说第二行的一边的定位靠近所说凹腔。

6．按照权利要求1的插座，其特征为，所说壳体有一顶面，其上制有对准突部。

7．按照权利要求1的插座，其特征为，所说第一行具有第一晶片，所说接触元件装在所说第一晶片上。

8．按照权利要求7的插座，其特征为，所说第一晶片是由绝缘材料制成的。

9．按照权利要求7的插座，其特征为，所说第一晶片还具有在其一个侧面上制出的栓。

10．按照权利要求9的插座，其特征为，所说栓有一开缝的构形。

11．按照权利要求1的插座，其特征为，所说第二行具有第二晶片，所说接触元件装在所说第二晶片上。

12．按照权利要求11的插座，其特征为，所说第二晶片是由绝缘材料制成的。

13．按照权利要求11的插座，其特征为，所说第二晶片具有在其上制出的孔。

14．按照权利要求1的插座，其特征为，所说第一和第二接触元件的数目相差一。

15．按照权利要求1的插座，其特征为，所说第一和第二行分别具有第一和第二晶片及突部，其中所说突部用来将晶片互相间隔开。

16．按照权利要求15的插座，其特征为，所说突部包括沿着所说第一和第二晶片的周边延伸的肩部。

17．一种插座，它包括：

一个壳体，在其前面上制有许多孔；

多个含有第一数目的接触元件的第一行，其中每一接触元件都有一个接纳部和一个尾部，所说第一行相对于所说壳体定位成使所说接触元件的接纳部与一些所说孔对准；及多个含有与所说第一数目不同的第二数目的接触元件的第二行，其中每一接触元件都有一个接纳部和一个尾部，所说第二行相对于所说壳体定位成使所说接触元件的接纳部与另外一些所说孔对准，并且所说第二行与所说第一行被交替排列。

18．按照权利要求17的插座，其特征为，所有所说接纳部都被预先选定以接纳所需信号。

19．按照权利要求17的插座，其特征为，所说第一行的接纳部被预先选定为接地。

20．按照权利要求19的插座，其特征为，所说第二行的接纳部被预先选定成使相邻的接纳部各自接收不同的信号。

21．一种插座，它包括：

一个壳体部，其上有一前壁，所说前壁在其前面上制有许多孔；及

一个接触元件行，它包括：

多个接触元件，其中每一接触元件都有一个前部、一个中部、一个固定部和一个尾部；和

一个固定件，其中所说接触元件的所说固定部被装到所说固定件上，使所说接触元件被固定并互相对齐，所说接触元件行相对于所说壳体定位成使所说接触元件的所说前部被所说前壁固定并对准，所说中部则被空气包围。

22．按照权利要求21的插座，其特征为，所说接触元件具有一个扭转部用来使接触元件的前部相对于所说行成为一个角度而被定向。

23．按照权利要求22的插座，其特征为，所说角度为45°。

Images