高周波PCB技術 - コネクタ基板とは

ボード対ボードコネクタ（Board-to-Board Connector、BTBコネクタ基板と略称する）は広く応用されている接続ソリューションです。これにより、追加のケーブルやハーネスを必要とせずに、2つ以上のPCB間で信号、電源、データを直接転送することができます。この接続方式は設計を簡略化するだけでなく、システムの信頼性とコンパクト性を向上させます。電子製品が小型化、高密度化、高速化の方向に発展するにつれて、プレート対プレートコネクタはすでに消費電子、自動車、医療、工業などの分野で不可欠な部分となっています。

コネクタ基板は、本質的にはマイクロ結合プラグとソケットシステムで、電源と信号を1つの回路基板から別の回路基板に直接転送します。これはワイヤ対ボード（Wire-to-Board）またはワイヤ対ワイヤ（Wire-to-Wire）コネクタとは異なり、後者はワイヤに関連し、ボード対ボードコネクタはボードとボードの間の直接的なドッキングを強調します。この設計は、スマートフォン、ノートパソコン、カーエレクトロニクスシステムなど、スペースの限られた環境で特に有用です。

コネクタ基板の歴史は20世紀半ばにさかのぼることができ、プリント基板の発明に伴い発展していきます。最初のPCB接続方式は簡単なピンとソケットに依存していたが、電子技術の発展に伴い、コネクタはより高い密度と速度をサポートする必要がありました。1970年代、集積回路の普及はコネクタの小型化を推進しました。21世紀に入り、表面貼付技術（SMT）の成熟に伴い、コネクタ基板は0.35 mmなどのより小さな間隔とより高いピン数を実現しました。

現在では、Molex、TE Connectivityなどの有名メーカーが、多様なボード対ボードコネクタ製品を提供しています。これらの会社は革新的な材料と設計を通じて、高周波、高出力、高密度応用の需要を満たしています。例えば、Molexのマイクロスタックコネクタは、データセンターや電気通信デバイスに適している10Gbpsまでのデータ転送速度をサポートしています。発展の過程で、標準化も重要な役割を果たし、国際電工委員会（IEC）は複数の基準を制定し、コネクタの互換性と安全性を確保します。

図　コネクタ基板

コネクタ基板は、構造、取り付け方法、適用シーンに応じてさまざまなタイプに分類できます。主な分類は次のとおりです。

1.スタックコネクタ（Stacking Connectors）：このタイプは2つのPCBを平行にスタックでき、垂直スペースを節約できます。モバイルデバイスでは一般的に、間隔は通常0.5 mmから1.0 mmで、多層スタックをサポートしています。

2.メザニンコネクタ（Mezzanine Connectors）：スタック式に似ていますが、高密度アプリケーション向けに設計されており、サーバや組み込みシステムでよく使用されています。これらは、平方センチ当たり数百本のピンなどの高いピン密度と高速信号伝送を提供します。

3.カードエッジコネクタ（Card Edge Connectors）：一端はマザーボードに固定され、他端はサブボードのエッジに挿入され、PCIeスロットなどの拡張カードによく使用されます。これらはホットスワップと高電力伝送をサポートしています。

4.バックプレーンコネクタ（Backplane Connectors）：電気通信スイッチやコンピュータサーバなどの大型システムで使用され、複数のサブボードをメインバックプレーンに接続します。これらは、高信頼性、耐振動性、高速データレート（100 Gbps以上）を強調しています。

5.細ピッチコネクタ（Fine Pitch Connectors）：ピッチが0.5mm未満で、超小型機器、例えばウェアラブル電子製品に適している。SMT実装方式が主流であり、溶接点を減らし生産性を向上させた。

また、取り付け角度に応じて、直角（Right Angle）と垂直（Vertical）タイプがあります。シール性により、防水と非防水バージョンがあります。タイプを選択する際には、電流定格値、電圧耐性、周囲温度、振動抵抗などのパラメータを考慮する必要があります。

コネクタ基板のコアはオスとメスのドッキングシステムです。オス（プラグ）は通常ピンまたは接点があり、メス（ソケット）は対応する溝または穴があります。2つのコネクタがドッキングすると、接点は機械的圧力とばね力によって電気的に接触します。材料の面では、接点は酸化防止のために金または錫めっきを常用し、絶縁体はLCP（液晶ポリマー）などの高性能プラスチックを採用し、高温に耐えて260°Cに達します。

高速アプリケーションでは、コネクタは信号減衰とクロストークを最小化する必要があります。差分ペア設計とシールド層を通じて、現代BTBコネクタ基板は最大56Gbpsの伝送速度をサポートしている。取り付けプロセスには通常、ショートやオープンを回避するために位置合わせ精度を確保するSMTまたはスルーホール溶接が含まれます。

ボードのボードコネクタへの応用は非常に広く、ほとんどすべての電子業界をカバーしています。

家電：スマートフォン、タブレット、スマートウォッチにおいて、マザーボードとディスプレイまたは電池モジュールを細ピッチBTBで接続し、薄型設計を実現した。

自動車電子：ADAS（高級運転支援システム）と電気自動車において、コネクタは高温と振動に耐え、計器盤、センサと制御ユニットを接続する必要がある。

医療設備：例えば携帯型モニタと植え込み式設備は、高信頼性、低騒音伝送を要求し、患者の安全を確保する。

工業自動化：ロボットとPLCシステムにおいて、モジュール化接続に使用され、メンテナンスのためのホットスワップをサポートする。

データ通信と軍事：サーバーと航空設備の中で、高密度コネクタは大量のデータを処理し、同時にMIL標準の耐久性を満たす。

モノのインターネット（IoT）時代には、プレート対プレートコネクタはスマートホームやウェアラブルデバイスにも拡張され、エッジコンピューティングの発展を推進した。

コネクタ基板の主な利点は次のとおりです。

コンパクト：ケーブルなし設計で省スペース、小型化製品に適しています。

信頼性：直接接続により故障点を減少し、数千回の挿抜サイクルをサポートする。

高性能：高周波信号と電力伝送をサポートし、5GとAI応用に互換性がある。

コスト効果：大量生産の下で、価格が安く、自動組立が便利である。

しかし、挑戦も無視できない。小型化により位置合わせが難しくなり、塵埃や振動の影響を受けやすくなります。また、高密度設計は熱管理と電磁干渉（EMI）の問題を引き起こす可能性がある。メーカーは、先進的なシミュレーションソフトウェアとテスト基準を通じてこれらの問題を緩和しています。