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手機中的連接器設計

發(fā)布時間:2011-02-22

中心議題:
  • 手機連接器及其要求介紹
  • SIM卡連接器介紹
  • 手機I/O連接器材料及其形式
解決方案:
  • Molex的SIM卡連接器
  • Mobi-Mate I/O連接器

第一節(jié) 引言

1.連接器是蜂窩電話手機必要組成部份

近年來蜂窩移動通信系統(tǒng)在世界范圍迅猛發(fā)展,作為移動臺的無線手機不僅僅限于公司、企業(yè)和業(yè)務部門使用,已經(jīng)普遍到個人和家庭。我國已經(jīng)成為世界上擁有手 機用戶最多的國家,而且用戶數(shù)量仍然在迅速增加。手機最大的優(yōu)點就是靈活方便,隨時隨地都可以進行通信,同時,由于技術的發(fā)展進步,手機尺寸越來越小,已 經(jīng)從笨重的磚塊大小進步到比煙盒還小、重量又輕,非常便于攜帶,加上廠家努力設計制作,使之越來越精美,成為一種時尚消費精品,受到人們普遍喜愛。

手機雖小,但是五臟俱全。它體積減小、重量減輕但功能卻越來越多了。手機中包含有發(fā)射機電路和天線、接收機和音頻電路、鎖相頻率合成器、電源電路和穩(wěn)壓 器、顯示部份、鍵盤和按鍵電路、用戶管理系統(tǒng)及有關用戶使用的電話功能(如鈴聲和振動、背景燈)電路,甚至因特網(wǎng)接入系統(tǒng)、MP3播放器、GPS(全球定 位系統(tǒng))、藍牙模塊等。但是這些不同的電路部份,要組成一個實用的完整的通信系統(tǒng),就必須使用作為電子信號傳輸樞紐的電連接器將它們互相聯(lián)系在一起。此 外,手機應用時,有時要外接一些設備,如:充電器、耳機或麥克風、調制解調器、車載免提插座等等,都離不開連接器??梢哉f,沒有連接器就難以制造和使用手 機,連接器是手機的必要組成部份。
2.手機對連接器的要求
由于手機越來越微小型化,用戶群體越來越大眾化,生產越來越大量化,所以對手機使用的元器件,包括連接器在內,提出越來越嚴格的要求。當前發(fā)展趨勢為:
■ 微小型化 手機尺寸和重量顯著減小,功能增多,需要高密度裝配和互連。顯然要求其內部的元器件(包括連接器在內)必須尺寸越來越小,或是將它們集成到芯片或電路模塊中去。微小型化是必由之路。
■ 表面貼裝 隨著小型化和大量生產的自動化高速組裝技術的發(fā)展,以及降低連接部份占用的空間,表面貼裝的連接器得以迅速發(fā)展,逐漸代替穿孔式插裝的連接器。目前生產的 表面貼裝連接器(SMC)其引線(出腳)間距已經(jīng)由原來的2.00mm、1.27mm發(fā)展到0.8mm、0.5mm,甚至推出了0.3mm的柔性印制板連 接器。安裝高度也由10mm降低到現(xiàn)在的2mm,甚至推出1.5mm的板到板連接器。
■ 標準化和模塊化 為適應手機大量生產的需要和方便,節(jié)省空間和便于設計,手機內電路和元件,包括連接器在內,已經(jīng)迅速模塊化,并且強烈需要形成統(tǒng)一的國際標準。當然,這樣 做會影響各個廠家生產具有不同個性和特色、形態(tài)的手機,但這個問題并不難解決(請見后面介紹的"手機漢堡"設計理念)。
■ 多功能接口 為用戶使用方便,也為設計和制造手機簡化,手機對外的接口數(shù)目越少越好。這樣不會使用戶面對眾多的各種接口而無所適從。所以要求手機上的對外接口連接器多 功能化,它可以將低頻觸點、高頻同軸口和其它具有不同特性的接口復合于一體,滿足不同用途的連接要求。目前,手機下端的一個接口已經(jīng)可以用于連接充電器、 麥克風、耳機或免提支座等不同外接設備。
■ 操作簡單 用戶群的普及,要求手機的使用必須簡單明了,必須直觀,對連接器也有同樣的要求。例如安裝SIM卡、安裝電池、連接充電器等必須操作簡單,一看就會。同時 還要安全,防止誤操作,防止插反或插錯孔。然而,這些接口對用戶越是簡單,對連接器的設計和制造技術要求越高和越復雜。
■ 高速傳輸與電磁兼容 由于手機的功能發(fā)展,從單一的語言通信工具,逐漸發(fā)展成為數(shù)據(jù)設備,有些用戶希望手機不僅能進行網(wǎng)絡通信,還要能與其它設備如電腦、PDA(個人數(shù)字助 理)、打印機等一起使用。這些都要求更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和良好的抗干擾性。傳統(tǒng)的接口連接器滿足不了這些要求。近年來出現(xiàn)的速度較高的USB(通用串行總 線)和IEEE1934接口的連接器,使手機與電腦及其它設備的連接變得比較容易。
■ 提高存儲容量 隨著手機功能提高,要求容量更大的存儲器。目前已有符合工業(yè)標準的小封裝可裝卸存儲卡,如MMC(多媒體卡)、SD(安全數(shù)據(jù))卡或Sony公司的記憶 棒。但它們都需要連接到手機電話電路的印制板上,如何設計連接器使之經(jīng)濟、可靠、節(jié)省空間等,滿足多種式樣的存儲卡的連接要求,是連接器廠家所面臨的挑 戰(zhàn)。

3.手機中的主要連接器手機中的連接器主要用在如下幾部份(如圖):
① SIM(用戶確認模塊)卡
② 液晶顯示屏(LCD)
③ 鍵盤
④ 輸入/輸出(I/O)接口
⑤ 電池
⑥ 板到板
⑦ 其它

第二節(jié) SIM卡連接器
1.SIM卡用戶確認模塊即SIM卡(Subscriber Identification Module Card)是GSM(Global System for Mobile communication )數(shù)字移動通信系統(tǒng)的手機(移動臺)中的重要部份。SIM卡是一種符合ISO標準的微型智能卡(Smart Card,俗稱IC卡),IC卡內部裝有微機集成電路,能夠實現(xiàn)計算和安全存儲信息,是1974年由Roland Moreno發(fā)明的。而SIM卡是專門供手機使用的IC卡(圖2.2.1)。一般的IC卡標準尺寸為86mm×54mm,而SIM卡尺寸為 25mm×15mm。SIM卡的作用就好像一把鑰匙,把它從手機中取出,手機就不能正常使用和通信。用戶只要有一張電話公司(例如中國移動通信公司、聯(lián)通 公司等)提供的SIM卡,就可以裝入和使用任何一部相應GSM系統(tǒng)的手機。SIM卡中存有公司提供的用戶業(yè)務和服務信息等重要資料。當手機開機后,機內系 統(tǒng)就與SIM卡進行通信,獲取相關的服務信息。

SIM卡的內部硬件與普通的IC卡類似,是由CPU、ROM、RAM和EEPROM等部件組成的完整單片計算機(圖2.2.2),生產廠商已經(jīng)在每一張卡 內存入了廠商代號、生產串號、卡的資源配置數(shù)據(jù)等基本參數(shù),并為卡的正常工作提供了適當?shù)能浻布h(huán)境。它與手機內其它部份的物理界面有:數(shù)據(jù)線 (DATA)或串行輸入/輸出(I/O)、復位線(RST)、時鐘(CLK)、編程電壓(VPP)、電源(VCC)和地(GND)。這些都需要通過連接器同機內其它部份相互連接。
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2.SIM卡連接器
Molex公司為移動通信工業(yè)提供SIM卡用連接器,用于記帳、加密和儲存電話號碼等。SIM卡的參數(shù)由ISO GSM Sim Card 標準規(guī)定。雖然卡是標準化了,但由于電話設計千差萬別,常常不能使用標準化的連接器。Molex同客戶密切合作,開發(fā)出一套完整系列的SIM卡連接器,它 既滿足了一系列標準的選項,又具有定制設計能力,滿足特定的用途。

Molex的SIM卡連接器有如下特點:

■超小外形
■具有或沒有卡檢測開關
■卡的拔插循環(huán)壽命達5000至次
■表面貼裝和壓緊安裝(compression mounting)
■具有或沒有卡支座(holder)
Molex的SIM卡連接器產品可配合0.030英寸厚的GSM 11.11卡使用,一般有6個電路引腳。它們大體有如下幾種類型:
① 非焊接型(圖2.2.3):
▲具有6個電路引腳
▲壓緊安裝在PCB板和殼體之間
▲小外形產品的座體高度2.0mm,寬度13.0mm
▲SIM卡由殼體定位
▲5000次拔插壽命
■標準化和模塊化 為適應手機大量生產的需要和方便,節(jié)省空間和便于設計,手機內電路和元件,包括連接器在內,已經(jīng)迅速模塊化,并且強烈需要形成統(tǒng)一的國際標準。當然,這樣 做會影響各個廠家生產具有不同個性和特色、形態(tài)的手機,但這個問題并不難解決(請見后面介紹的"手機漢堡"設計理念)。

西門子S3com(S5)和S3com BOM手機就是采用的這種連接器,占用了板空間13mm×23mm 。② 緊湊小型(圖2.2.4)
▲ 表面貼焊(SMT)到PCB
▲ 尺寸緊湊
▲ 端子是磷青銅的
▲ 拔插壽命 次以上
▲ 鎳上鍍鉛鎳再鍍金
▲ 在PCB板上高度2.60mm,寬度8.7mm
摩托羅拉公司的d160手機采用了這種連接器。
③ 帶開關的緊湊型(圖2.2.5)
▲ 6個電路引腳,帶有刀片狀常斷開關
▲ 表面貼焊到PCB
▲ 端子是磷青銅材料的
▲  次以上的拔插壽命
▲ 在PCB板上的高度2.50mm,寬度16mmm

摩托羅拉的StarTAC手機采用了這種SIM卡連接器。   
④ 帶有彈出器型(圖2.2.6)
▲ 6個電路引腳,具有位置開關
▲ 兩件式:卡支座和彈出機構本體
▲ 卡支座和按鈕根據(jù)客戶需要制作
▲ 表面貼焊到PCB板
▲ 端子是磷青銅材料的
▲ 拔插壽命高于5000次
▲ 鎳上鍍金
▲ 在PCB板上的高度3.10mm,寬度25.0mm



西門子S7、S10手機以及一些Sony手機(DM-DX2000)都采用了這種帶有彈出器的SIM卡連接器。此外,西門子S4和Sony CMX-DX1000等還采用了一種尺寸更小的微型帶彈出器的SIM卡連接器。
▲ 6個電路引腳
▲ 有焊腳用于固定在板上
▲ 表面貼焊到PCB板上
▲ 拔插壽命5000次以上
▲ 滑入式
▲ 在額定偏斜范圍內,接觸力為0.44牛頓
西門子S6型手機采用的就是這種SIM卡連接器。
⑥ 其它其它還有一些類型如廉價簡單型(圖2.2.8)、超小外形型(圖2.2.9)等。


超小外形型也是表面貼焊到PCB板上,在PCB板上的高度只有1.20mm或1.90mm,寬度7.62mm ,拔插壽命可達 次以上。[page]

第三節(jié) 輸入/輸出(I/O)連接器


1 手機用I/O連接器

手機上I/O連接器是手機與外部設備聯(lián)系的通道,經(jīng)常安排在手機的下部。要求它具有長的拔插壽命,多功能、具有多種形式的端子,甚至可以傳輸紅外數(shù)據(jù),并且可以根據(jù)客戶的要求定制。圖2.3.1和2.3.2示出了一種手機I/O連接器從前后兩個側面看到的視圖。



上面畫出的是I/O連接器安裝在手機上的部份,它還應該有另一部份與它連接,這就是插頭連接器,圖2.3.3畫出了Molex公司的Mobi-Mate型 插頭連接器的分解示意圖。其中插頭座體是插入手機上的I/O連接器用的,射頻(RF)接插頭也包含在內,上下外殼起保護作用,鎖銷和螺釘?shù)绕饘ξ缓凸潭ㄗ饔谩?br />

2 手機I/O連接器的材料與指標
我們以Molex產品為例介紹。I/O連接器在手機部份所用材料:
■ 座體是用50%的GF尼龍
■ SMT固位片用磷青銅(PhBr),在1.27微米厚的鍍鎳層上再鍍3-5微米厚的錫鉛(SnPb)
■ 鎖銷也用PhBr,也是在1.27微米厚的鍍鎳層上再鍍3-5微米厚的SnPb
■ 信號接觸簧片也是PhBr,在1.0微米后的鉛鎳(PbNi)鍍層上薄鍍一層金,在焊接區(qū)鍍3.0微米厚的SnPb,底層鍍1.27微米厚的鎳。

I/O連接器的插頭部份所用材料:

■ 外殼和按鈕:30% 的GF聚酯
■ 鎖銷: 不銹鋼
■ 信號接觸片:BeCu(鈹銅)
■ 電鍍:在1.0微米厚的PbNi鍍層上薄鍍一層0.1微米厚的金,底層電鍍1.27微米厚的鎳,焊接區(qū)鍍3-5微米厚的SnPb 。

I/O連接器的電氣指標主要為:
■ 電流:信號接觸簧片:標準值1安培,在某些規(guī)定條件下可達2安培。同軸電纜: 0.5安培。
■ 電壓:在攝氏25度下50Vac(交流有效值)。
■ 射頻(RF)阻抗:50歐姆。
■ 射頻頻率:0-2.0 GHz 。
■ 接觸電阻:初始值小于10毫歐姆,經(jīng)過5000次拔插后,小于20毫歐姆。
■ 絕緣電阻:射頻:1000兆歐姆;信號:500兆歐姆
■ 電壓駐波比(VSWR): 初始值:在1.8GHz下小于1.5,經(jīng)過5000次拔插后,在1.8GHz下小于1.8 。
■ 插入損耗:經(jīng)過5000次拔插后,在0.9GHz下小于0.2dB 。
■ 串擾(cross-talk):(僅對開關式同軸線)在1.8 GHz下小于1.1dB 。

I/O連接器的機械指標主要為:
■ 壽命:最少5000次拔插。
■ 插力(insertion force):信號接觸簧片:0.7牛頓;射頻接觸體:2.4牛頓;經(jīng)過5000次拔插后總改變的最大值0.5牛頓。
■ 拔力(withdrawal):最小值25牛頓。
■ 多軸插合對的功能測試:見產品指標。
■ 緩解應力的柔性測試:見各自電纜配置。 3 手機I/O連接器形式手機I/O連接器在滿足基本要求的基礎上,還根據(jù)客戶需要、廠家的設計意向、成本等諸多因素變化,形式上有所變化。以連接器的電路接觸體為例,就有平接觸 頭和刀形兩種,再配合不同外形的座體,就會產生各種不同形式。Molex的I/O連接器在90年代就經(jīng)歷了如圖2.3.5的變化。由圖可以看出,I/O連 接器經(jīng)歷了由簡單到復雜、由功能少到功能更多的演變。另外從Molex的產品品種分,又有:平頭型(flat pad)、Mobi-Mate型、SMT IO連接器和壓緊型連接器(compression connector),(請見圖2.3.6)。它們都是多功能的,如包含有:電池端子、充電端、數(shù)據(jù)傳輸端、圓形直流(DC)插座,圓形立體聲插座、麥克 風插座,射頻接觸體,甚至紅外模塊也都集成在連接器中。Molex公司供應和定制各種形態(tài)的產品。[page]

90年代平頭和刀狀I/O連接器演變:





壓緊型連接器 Molex壓緊型連接器-是改善設計靈活性和節(jié)省空間的新措施。

關于Mobi-Mate I/O連接器
Mobi-Mate是Molex公司設計與生產的一種I/O連接器,供移動設備使用,當然也包括手機在內。它力圖滿足現(xiàn)代手持或袖珍系統(tǒng)對連接器的如下要求:
■盡可能占用最小的空間,要小外形、PCB板占用空間最小。
■高頻、低頻和充電接觸體組合在一起。
■耐用,壽命長,能夠承受高數(shù)量的拔插次數(shù)。
■容易使用,電纜連接器有可靠的鎖緊系統(tǒng),在惡劣使用環(huán)境下(如車載)保證良好的電氣性能,同時仍然是用戶友好的和無故障。
■容易生產,無欠缺。
■在裝配線上與PCB裝配時能保證正確就位和固位。
■設計靈活,功能可選,功能廣泛。

圖2.3.1和圖2.3.2的示意圖實際就是Mobi-Mate 連接器。另外,它安裝在PCB正面板上時,其芯線部份要高出PCB板4.80mm,避免了為保證安全而使用昂貴的保險裝置,同時PCB板的背面還能安裝其 它元部件和布線,利于節(jié)省空間。信號接觸體(片)與PCB板只有0.50mm的間隙,使占用空間最小,保證最精確地控制間隙和共面性,最有利于目視檢查。 利用螺釘和栓柱把插頭的接觸體部份安全地鎖在外罩內,最終用戶不能打開插頭。此外,為緩解電纜和座體的應力,Molex公司也采取了特殊措施,保證惡劣環(huán) 境條件下良好電性能。
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