電磁總線耦合的製作方法
2023-06-01 15:18:26
專利名稱：電磁總線耦合的製作方法
背景本發明涉及電磁總線耦合。
諸如存儲器或輸入/輸出(I/O)裝置的數字裝置通常通過插槽連接到通信總線，其中插槽被布線到總線。用戶可以根據需要將裝置插入插槽中和將其移除。
裝置還可以電磁耦合到總線，如美國專利5638402中所提出的。該專利描述了用於電磁耦合總線的連接器的使用，它允許裝置模塊的帶電插入或取出。
描述以下的每一個附圖都僅示出一個或一些實施方案的實例。
圖1是主板上的插槽中安裝的子插件板和主板的片段的三維示圖。
圖2是主板上插槽的端部剖視圖。
圖3是主板上安裝的插槽的側面剖視圖。
圖4是耦合器的片段的頂部的三維示圖。
圖5是耦合器的片段的底部的三維示圖。
圖6是另一個插槽的端部剖視圖。
圖7是另一個插槽的一部分的端部剖視圖。
圖8是使用電磁耦合器的多點信號分配系統的框圖。
圖9是電磁耦合器的電模型。
如圖1和2所示，在某些實施中，諸如存儲卡的數字裝置10可以用插槽16電磁耦合到總線14，插槽16允許數字裝置的插入和移除並通過耦合接口12提供插槽下部和總線上部的電磁耦合。其它數字裝置11、13可以插入其它的插槽17、19，它們在沿總線長度設置的其它耦合接口23、25處電磁耦合到總線14。隨後，承載例如數據、地址和控制信息的信號在數字裝置與耦合到總線14的處理器21之間通信。本發明不限於存儲卡並可應用於需要通信的任何類型的數字裝置中。同樣，雖然提及了處理器作為與數字裝置通信的一個裝置實例，但任何種類的數字部件都可與數字裝置通信。
其上安裝了處理器21和插槽16、17以及19的主板22可以具有由電介質層分開的多個導電層。例如多點(multi-drop)平行總線的總線14可以包括排列在主板的導電層上的信號、電源和接地導體。信號線(例如，31、33、35)通常沿主板表面上總線的長度平行行進，且接地和電源可以承載在主板的內部導電層上。主板的基準平面可以提供信號線的阻抗控制。
圖8和9中示出了多點信號分配系統100的某些實施的其它細節，這將在以下進行討論。
在每個耦合接口12、23、25處，總線可以包括用於該耦合接口處的每個信號線的電磁耦合器。圖1中示出實例耦合器24、26、28位於沒有被插槽佔據的位置處。每個電磁耦合器可以通過接口與插槽下部上的相應電磁耦合器相互作用，以允許信號在插槽上容納的數字裝置和總線之間通信。各種配置都可用於耦合器，包括線性和Z字形。關於耦合器的可能配置的其它信息將在以下以及2000年11月15日提交的美國專利申請序號09/792502、09/714899和09/792546中進行描述。
如圖3所示，可以通過將例如三組插腳36、38、40插入主板中相應的通孔並將這些插腳焊接在各導電層上而將每個插槽安裝在主板上，其中導電層可以包括接地和電源層。因此，這三組中的某些插腳可以將接地和電源傳遞到數字裝置，同時其它插腳僅提供機械支持。
每個數字裝置都可以支持一個或多個集成電路和其它電路部件41並可以承載與總線線路相對應並沿板的邊緣終止於接觸墊43處的導體。
插槽16可以類似於常規數字裝置或者I/O卡插槽，並可以包括金屬導軌50、52。可以將每個金屬導軌的上端54彎曲以形成彈簧，在將卡插入插槽時，該彈簧向相應的接觸墊43壓下。在另一端處，某些金屬導軌可以穿過插槽的主體並形成插腳組36、38、40的接地和電源插腳。
將信號傳遞到卡或傳遞來自卡的信號的其它金屬導軌可以具有端部61、63，它們被焊接到剛性(rigid)耦合器70上，該耦合器70位於插槽16下部中的腔72內。
如圖4(從上觀看)和圖5(從下觀看)所示，剛性耦合器的某些實施可以包括核心80，它由諸如剛性環氧樹脂層壓玻璃片構成，諸如FR4級。(圖5和6僅示出剛性耦合器的全部寬度的一部分。圖6沒有示出耦合器的層的細節。)剛性耦合器的上面和下面可以具有金屬化層73、75。下金屬化層75可以具有電磁耦合器的電磁耦合器導軌97、99、101(如圖5所示)。下金屬化層可以通過通路79、81被機械耦合到上金屬化層(但與其電絕緣)(且不與上金屬化層的其餘部分接觸)，通路79、81形成到上金屬化層中形成的焊盤83、85的導電鏈路。
剛性耦合器的上金屬化層73可以提供用於剛性耦合器的下部之上的電磁耦合導軌的阻抗控制的基準平面。在上金屬化層上，焊料掩模82可以具有小孔，它限定一定的區域，在該區域處形成金屬導軌的末端50、52與焊盤83、85之間的焊料連接。(為了更加清楚，圖4中沒有示出焊料接合。)下金屬化層也可以具有焊料掩模84。焊料掩模層可以用作電磁耦合器中的電介質。電介質材料的特性對於耦合器性能是很重要的。焊料掩模層也可以防止主板上與導軌的直接電連接。
如圖2所示，位置間隔物88可以置於腔72內，使得其上表面與插槽的底板73接觸並使得其下表面與剛性間隔物的焊料掩模接觸。該間隔物可以具有仔細控制的厚度74，從而在將剛性耦合器安裝到插槽上並將插槽安裝到主板上時，耦合器導軌97、99、101與主板的上表面92上的電磁耦合器導軌平行並與其相隔預定距離90。間隔物88可以被設計成防止剛性耦合器被焊接到插槽體上時剛性耦合器的垂直位置的任意「漂移」。
為了在接口12、23、25處實現所需的電磁耦合，就應消除各耦合器導軌之間任何可能的氣隙。在模製過程期間主板的彎曲和插槽體的收縮會引起各耦合器導軌之間的氣隙。通過在安裝插槽之前將厚度86的粘性材料89應用於剛性耦合器的下部或者主板的上部或者這兩者上，在安裝時施加到插槽上的力就會使得粘性材料被擠壓並流動以便填充氣隙。粘性材料被選為一種材料，它(a)具有與主板的基板和剛性耦合器的介電常數相類似的介電常數，(b)具有將實現氣隙填充的粘性，其結合強度是次要的，(c)具有良好的溫度穩定性以及經受與將插腳焊接到主板上有關的熱量的能力，以及(d)通過加熱而與主板分開以允許安裝的返工。
為了構成插槽，可以以常規方式形成插槽體100，金屬導軌嵌入在主體中。高溫焊球可以置於剛性耦合器的上表面上。位置間隔物可以置於腔內。剛性耦合器可以置於腔內觸及間隔物，且可以施加夾緊力以便將剛性耦合器保持在與間隔物的下面相對的位置。可以施加熱量以使焊料重新流動。在形成插槽後，可以通過施加一定厚度的粘性材料，用插腳組插入主板的通孔中從而將插槽置於主板上，並將插腳焊接到主板上，而將插槽貼附到主板上。
在使用中，可以將數字裝置重複地插入插槽和從插槽移除。一旦插入，則信號可以通過電磁耦合的接口傳遞。
如圖8和9所示，多點總線系統的某些實施可以包括裝置110和其它裝置120、130和140。裝置110可以具有耦合到裝置110的總線112。裝置120、130和140的每一個都可以分別包括總線122、132和142，以及部件124、134和144。總線122、132和142可以分別耦合到部件124、134和144。
裝置120、130和140的每一個都分別通過電磁耦合器160、170和180耦合到總線112。電磁耦合器160、170和180分別將總線122、132和142耦合到總線112，分別允許部件124、134和144與裝置110通信。將每個裝置120、130和140電磁耦合到總線112形成了數據通道，它們具有基本一致的電氣屬性用於在裝置110、120、130和140之間傳輸信號，並允許使用相對較高頻率的信令而不顯著地增加傳輸線效應引起的噪聲。
雖然通過電磁耦合到總線112的三個裝置120、130和140進行說明，但總線112可以具有任何合適的長度並可以容納任意合適數量的裝置以電磁耦合到總線112上。對於一個實施例，總線112約50釐米(cm)長，允許多達16個裝置，每一個裝置都沿約1cm的長度的總線112被電磁耦合，其中每個裝置都間隔約1.5cm的間距。
每個裝置120、130和140可以被固定地耦合到總線112上，或者可以被可移除地耦合到總線112上。當裝置120、130和140被電磁耦合到總線112上時，每個裝置120、130和140可以被添加到總線112上或從總線112上移除，而對總線112的通信帶寬影響最小。
總線112、122、132和142的每一個都可以包括任意合適數量的任意合適導電材料的線路。裝置110、120、130和140的每一個都可以包括任何合適的電路以執行任何合適的功能。作為一個實例，例如，裝置110可以包括存儲器控制器且裝置120、130和140的每一個都可以包括存儲器模塊。裝置110、120、130和140可以使用任何合適的信令方案在總線112、122、132和142上通信。用於一個實施例的每個裝置110、120、130和140使用差分信號對通信，以便有助於最小化功率和電磁幹擾(EMI)並有助於增加抗擾度。
每個部件122、132和142都可以包括任何合適的電路。用於一個實施例的每個部件122、132和142都用作每個裝置120、130和140的接口以便與裝置110通信。
雖然在多點信號分配系統100中進行說明，但用於另一個實施例的每個裝置120、130和140都可以以點對點的方式通過將每個裝置120、130和140電磁耦合到與裝置110耦合的各總線而與裝置110通信。
對於一個實施例，如圖8所示，電磁耦合器160由總線112的長度的一部分162、總線122的長度的一部分164以及部分162和164之間的電介質166構成。電磁耦合器170由總線112的長度的一部分172、總線132的長度的一部分174以及部分172和174之間的電介質176構成。電磁耦合器180由總線112的長度的一部分182、總線142的長度的一部分184以及部分182和184之間的電介質186構成。每個電介質166、176和186都可以包括任何合適的電介質材料，諸如但不限於，空氣、各種聚醯亞胺、各種環氧樹脂、各種聚合材料、各種塑料、各種陶瓷、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、諸如E.I.du Pont de Nemous and Company of Wilmington，Delaware的Teflon、World Properities，Inc.of Lincolnwood，Illinois的RT/Duroid的聚四氟乙烯(PTFE)，和或氧化鋁。每個電磁耦合器160、170和180可以被形成為具有任何合適的耦合係數，諸如在從約0.15到約0.45的範圍內。
對於一個實施例，圖9示出一種電氣模塊100，它用於將總線112的單個導電線路212與總線122的單個導電線路222耦合的電磁耦合器160，用於將總線112的線路212與總線132的單個導電線路232耦合的電磁耦合器170，以及用於將總線112的線路212與總線142的單個導電線路242耦合的電磁耦合器180。
線路212由耦合於遠離裝置110的線路212的端部和合適電壓參考(諸如接地)之間的平行電阻器216終止。一個實施例的電阻器216具有近似等於線路212的特性阻抗的電阻。線路222由耦合於遠離裝置120的線路222的端部與電壓參考之間的平行電阻器226終止。電阻器226具有近似等於線路222的特性阻抗的電阻。線路232由耦合於遠離裝置130的線路232的端部與電壓參考之間的平行電阻器236終止。電阻器236具有近似等於線路232的特性阻抗的電阻。線路242由耦合於遠離裝置140的線路242的端部與電壓參考之間的平行電阻器246終止。電阻器246具有近似等於線路242的特性阻抗的電阻。線路212、222、232和242的每一個都由用於發送相對較高頻率信號的匹配阻抗終止。
當裝置110在線路212上發送信號時，由於通過驅動線路212上的信號產生的電磁場，在線路222、232和242上分別通過電磁耦合器160、170和180感應相應的信號。同樣，當部件124、134或144分別在線路222、232或242上發送信號時，在線路212上感應相應的信號。
線路222、232和242的每一個都僅吸收線路212上驅動的相應信號的部分能量。每個線路222、232和242分別用電阻器226、236和246終止接收到的能量。同樣，線路212僅吸收線路222、232和242上驅動的相應信號的部分能量。每個電磁耦合器160、170和180都可以根據例如驅動功率的量和電磁耦合器的耦合係數來吸收任何合適量的功率。一個實施例的每個電磁耦合器160、170和180吸收少於約百分之一的信號功率，其中該信號是耦合到電磁耦合器的任何線路上驅動的。因為裝置120、130和140的電容性負載和它們的各線路222、232和242相互隔離並與線路212隔離，所以可以在線路212上保持通常恆定的阻抗環境並最小化或避免線路212、222、232和242上通信系統寄生效應的任何幹擾或影響。
一個實施例的總線112被安裝或集成在電路板上，且裝置110被安裝或耦合到電路板上，從而裝置110被電耦合到總線112。通過相對於總線部分162、172和182分別放置總線部分164、174和184來形成每個電磁耦合器160、170和180，其中電介質166、176和186位於電磁耦合部分之間。
以下的一個或多個是本發明的優點。與常規主板上安裝的常規非電磁耦合的插槽相比，插槽無需在主板上佔據更多空間(或要求從插槽到插槽的任何更多間隔)。無需重新分配主板上的空間以容納插槽。可以使用現存的存儲器部件封裝配置。插槽是剛性的，因此提供可靠且穩定的機械性能。可以簡單且低成本地製造和安裝插槽。
雖然以上描述提及某些實施，但其它的實施也在以下權利要求書的範圍內。
例如，如果金屬導軌被製成足夠短並具有足夠低的型面彈性接觸，剛性耦合器上無需基準平面。可以通過模擬優化彈簧的長度，從而將最小化對高速信號的上升時間的影響。彈簧的確切長度可以按對輸出上升時間的系統需要以及對輸入上升時間的可用IC技術而確定。通過這種優化，金屬彈簧的不受控制的阻抗將具有對電氣性能的有限的總體影響。否則，必須採取用於完全阻抗控制的措施，諸如插槽框架內模製的基準平面。
此外，由於摩擦力(垂直力)被加壓到彈簧和剛性耦合器之間的互連上，可用改變彈簧形狀以降低數字裝置插入期間的摩擦力，該摩擦力會增加焊球損傷的可能性。
在膝上計算機和某些伺服器中，常常平行於主板安裝數字裝置以使得主板上卡的突出最小。如圖6所示，在某些實施中，可以用水平而非垂直朝向的插入槽121構造低型面型式的插槽。插槽的下部和剛性耦合器類似於之前描述的，但連接器兩側上的金屬導軌123、125可以具有不同的輪廓，如圖所示。
如圖7所示，在剛性耦合器的可選實施中，代替將金屬導軌的端部焊接到耦合器的上表面上以及通過通路建立到剛性耦合器的下部上的耦合器導軌的電連接，金屬導軌可以被焊接入核心中的印刷通孔140、142並且是以建立到耦合器導軌146的直接接觸的方式。這種結構可以避免前述金屬導軌端部和剛性連接器上部之間的焊接接點的可能的可靠性問題。
雖然以上實施針對存儲器卡和計算機主板，但插槽結構可以用於可插入裝置被電耦合器到信號通信總線的任何環境中。
權利要求
1.一種裝置，其特徵在於，包括連接器，它被配置成用於數字裝置的插入和移除，所述連接器具有接觸件，該接觸件被排列成在將數字裝置插入連接器時建立到數字裝置上導體的電連接，以及第一電磁耦合器，它被連接到所述連接器的至少一個接觸件，所述電磁耦合器被配置成在接口處電磁耦合到第二電磁耦合器，所述第二電磁耦合器被連接到通信總線。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述連接器包括插槽。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述插槽被配置成接納存儲器卡。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述接觸件包括彈簧接觸件。
5.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述接觸件被配置成傳送信號。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述數字裝置包括存儲器卡。
7.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述數字裝置包括I/O卡。
8.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述連接器包括剛性耦合元件，且所述第一電磁耦合器形成於所述剛性耦合元件的表面上。
9.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述連接器包括插槽體，它具有被配置成接納數字裝置的槽縫和接納剛性耦合元件的腔。
10.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述連接器包括間隔物，它限定腔壁和剛性耦合元件之間的固定距離。
11.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，還包括第一電磁耦合器上的粘性液體。
12.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，連接器的接觸件被焊接在剛性耦合元件表面上的焊盤處，且該焊盤通過剛性耦合元件中的通路被電連接到第一電磁耦合器。
13.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，連接器的接觸件被焊接到剛性耦合元件中的通孔。
14.如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，剛性耦合元件包括核心以及該核心的兩個面上的金屬化層。
15.如權利要求14所述的裝置，其特徵在於，剛性耦合元件還包括金屬化層上的焊料掩模。
16.一種系統，其特徵在於，包括電路板，總線，它被排列在電路板上，電磁耦合器，它被限定在沿總線的位置處，插槽，它具有電磁耦合器和用於連接到裝置板的接觸墊片的接觸件，該插槽被安裝成限定出接口，通過這些接口可以在沿總線限定的電磁耦合器與插槽上的電磁耦合器之間產生信號的電磁耦合。
17.如權利要求16所述的系統，其特徵在於，所述插槽通過插腳被安裝在所述板上。
18.如權利要求16所述的系統，其特徵在於，每個插槽都具有用於由插槽的接觸件傳送的每一組信號的電磁耦合器。
19.如權利要求16所述的系統，其特徵在於，至少部分電磁耦合器中的每一個都具有鋸齒形配置。
20.如權利要求16所述的系統，其特徵在於，還包括處理器，它被安裝在所述板上並被耦合到總線。
21.一種系統，其特徵在於，包括電路板，總線，它被排列在電路板上，電磁耦合器，它被限定在沿總線的位置處，插槽，它具有電磁耦合器和用於連接到裝置板的接觸墊片的接觸件，所述插槽被安裝成限定出接口，通過這些接口可以在沿總線限定的電磁耦合器與插槽上的電磁耦合器之間產生信號的電磁耦合，以及裝置板，它被安裝在插槽內。
22.如權利要求21所述的系統，其特徵在於，所述裝置板包括存儲器裝置或者I/O裝置。
23.一種方法，其特徵在於，包括沿總線傳導數位訊號，在沿總線的位置處，將數位訊號電磁耦合到插槽，在插槽內，將數位訊號傳導到接觸件，以及將信號從接觸件傳導到被插入插槽的板。
24.如權利要求23所述的方法，其特徵在於，所述信號包括存儲器地址和數據信號。
25.一種方法，其特徵在於，包括將插槽安裝在電路板上電磁總線耦合器的位置處，以及用部件組裝電路板，所述部件包括耦合到由電磁總線耦合器服務的總線的處理器。
26.如權利要求25所述的方法，其特徵在於，還包括將數字裝置插入插槽中。
全文摘要
一種連接器被配置成用於數字裝置的插入和移除。該連接器具有接觸件，它被配置成在將數字裝置插入連接器時建立到數字裝置上導體的電連接。第一電磁耦合器連接到連接器的至少一個接觸件。電磁耦合器被配置成用於在接口處電磁耦合到第二電磁耦合器，該第二電磁耦合器連接到通信總線。
文檔編號H04L25/02GK1633790SQ03804012
公開日2005年6月29日 申請日期2003年1月30日 優先權日2002年2月14日
發明者Y·吳, J·克裡齊羅, K·懷亞特, J·本哈姆, M·那亞羅 申請人:英特爾公司