手机中的连接器设计

手机中的连接器设计
1.连接器是蜂窝电话手机必要组成部份
近年来蜂窝移动通信系统在世界范围迅猛发展，作为移动台的无线手机不仅仅限于公司、企业和业务部门使用，已经普遍到个人和家庭。

我国已经成为世界上拥有手机用户最多的国家，而且用户数量仍然在迅速增加。

手机最大的优点就是灵活方便，随时随地都可以进行通信，同时，由于技术的发展进步，手机尺寸越来越小，已经从笨重的砖块大小进步到比烟盒还小、重量又轻，非常便于携带，加上厂家努力设计制作，使之越来越精美，成为一种时尚消费精品，受到人们普遍喜爱。

手机虽小，但是五脏俱全。

它体积减小、重量减轻但功能却越来越多了。

手机中包含有发射机电路和天线、接收机和音频电路、锁相频率合成器、电源电路和稳压器、显示部份、键盘和按键电路、用户管理系统及有关用户使用的电话功能（如铃声和振动、背景灯）电路，甚至因特网接入系统、MP3播放器、GPS（全球定位系统）、蓝牙模块等。

但是这些不同的电路部份，要组成一个实用的完整的通信系统，就必须使用作为电子信号传输枢纽的电连接器将它们互相联系在一起。

此外，手机应用时，有时要外接一些设备，如：充电器、耳机或麦克风、调制解调器、车载免提插座等等，都离不开连接器。

可以说，没有连接器就难以制造和使用手机，连接器是手机的必要组成部份。

2.手机对连接器的要求
由于手机越来越微小型化，用户群体越来越大众化，生产越来越大量化，所以对手机使用的元器件，包括连接器在内，提出越来越严格的要求。

当前发展趋势为：
■ 微小型化手机尺寸和重量显著减小，功能增多，需要高密度装配和互连。

显然要求其内部的元器件（包括连接器在内）必须尺寸越来越小，或是将它们集成到芯片或电路模块中去。

微小型化是必由之路。

■ 表面贴装随着小型化和大量生产的自动化高速组装技术的发展，以及降低连接部份占用的空间，表面贴装的连接器得以迅速发展，逐渐代替穿孔式插装的连接器。

目前生产的表面贴装连接器（SMC）其引线（出脚）间距已经由原来的 2.00mm、1.27mm发展到0.8mm、0.5mm，甚至推出了0.3mm的柔性印制板连接器。

安装高度也由10mm降低到现在的2mm，甚至推出1.5mm的板到板连接器。

■ 标准化和模块化为适应手机大量生产的需要和方便，节省空间和便于设计，手机内电路和元件，包括连接器在内，已经迅速模块化，并且强烈需要形成统一的国际标准。

当然，这样做会影响各个厂家生产具有不同个性和特色、形态的手机，但这个问题并不难解决（请见后面介绍的"手机汉堡"设计理念）。

■ 多功能接口为用户使用方便，也为设计和制造手机简化，手机对外的接口数目越少越好。

这样不会使用户面对众多的各种接口而无所适从。

所以要求手机上的对外接口连接器多功能化，它可以将低频触点、高频同轴口和其它具有不同特性的接口复合于一体，满足不同用途的连接要求。

目前，手机下端的一个接口已经可以用于连接充电器、麦克风、耳机或免提支座等不同外接设备。

■ 操作简单用户群的普及，要求手机的使用必须简单明了，必须直观，对连接器也有同样的要求。

例如安装SIM卡、安装电池、连接充电器等必须操作简单，一看就会。

同时还要安全，防止误操作，防止插反或插错孔。

然而，这些接口对用户越是简单，对连接器的设计和制造技术要求越高和越复杂。

■ 高速传输与电磁兼容由于手机的功能发展，从单一的语言通信工具，逐渐发展成为数据设备，有些用户希望手机不仅能进行网络通信，还要能与其它设备如电脑、PDA（个人数字助理）、打印机等一起使用。

这些都要求更高的数据传输速度和良好的抗干扰性。

传统的接口连接器满足不了这些要求。

近年来出现的速度较高的USB（通用串行总线）和IEEE1934接口的连接器，使手机与电脑及其它设备的连接变得比较容易。

■ 提高存储容量随着手机功能提高，要求容量更大的存储器。

目前已有符合工业标准的小封装可装卸存储卡，如MMC（多媒体卡）、SD（安全数据）卡或Sony 公司的记忆棒。

但它们都需要连接到手机电话电路的印制板上，如何设计连接器使之经济、可靠、节省空间等，满足多种式样的存储卡的连接要求，是连接器厂家所面临的挑战。

3.手机中的主要连接器
手机中的连接器主要用在如下几部份（如图）：
①SIM（用户确认模块）卡
②液晶显示屏（LCD）
③键盘
④输入/输出（I/O）接口
⑤电池
⑥板到板
⑦其它
蜂窝电话手机中的连接器
第二节SIM卡连接器
1.SIM卡
用户确认模块即SIM卡（Subscriber Identification Module Card）是GSM （Global System for Mobile communication ）数字移动通信系统的手机（移动台）中的重要部份。

SIM卡是一种符合ISO标准的微型智能卡（Smart Card，俗称IC 卡），IC卡内部装有微机集成电路，能够实现计算和安全存储信息，是1974年由Roland Moreno发明的。

而SIM卡是专门供手机使用的IC卡（图2.2.1）。

一般的IC卡标准尺寸为86mm×54mm，而SIM卡尺寸为25mm×15mm。

SIM卡的作用就好像一把钥匙，把它从手机中取出，手机就不能正常使用和通信。

用户只要有一张电话公司（例如中国移动通信公司、联通公司等）提供的SIM卡，就可以装入和使用任何一部相应GSM系统的手机。

SIM卡中存有公司提供的用户业务和服务信息等重要资料。

当手机开机后，机内系统就与SIM卡进行通信，获取相关的服务信息。

图2.2.1 SIM卡和一般的智能（IC）卡
SIM卡的内部硬件与普通的IC卡类似，是由CPU、ROM、RAM和EEPROM 等部件组成的完整单片计算机（图2.2.2），生产厂商已经在每一张卡内存入了厂商代号、生产串号、卡的资源配置数据等基本参数，并为卡的正常工作提供了适当的软硬件环境。

它与手机内其它部份的物理界面有：数据线（DATA）或串行输入/输出（I/O）、复位线（RST）、时钟（CLK）、编程电压（VPP）、电源（VCC）和地（GND）。

这些都需要通过连接器同机内其它部份相互连接。

图2.2.2
2.SIM卡连接器
Molex公司为移动通信工业提供SIM卡用连接器，用于记帐、加密和储存电话号码等。

SIM卡的参数由ISO GSM Sim Card 标准规定。

虽然卡是标准化了，但由于电话设计千差万别，常常不能使用标准化的连接器。

Molex同客户密切合作，
开发出一套完整系列的SIM卡连接器，它既满足了一系列标准的选项，又具有定制设计能力，满足特定的用途。

Molex的SIM卡连接器有如下特点:
■超小外形
■具有或没有卡检测开关
■卡的拔插循环寿命达5000至10000次
■表面贴装和压紧安装（compression mounting）
■具有或没有卡支座（holder）
Molex的SIM卡连接器产品可配合0.030英寸厚的GSM 11.11卡使用，一般有6个电路引脚。

它们大体有如下几种类型：
①非焊接型（图2.2.3）：
▲具有6个电路引脚
▲压紧安装在PCB板和壳体之间
▲小外形产品的座体高度2.0mm，宽度13.0mm
▲SIM卡由壳体定位
▲5000次拔插寿命
■标准化和模块化为适应手机大量生产的需要和方便，节省空间和便于设计，手机内电路和元件，包括连接器在内，已经迅速模块化，并且强烈需要形成统一的国际标准。

当然，这样做会影响各个厂家生产具有不同个性和特色、形态的手机，但这个问题并不难解决（请见后面介绍的"手机汉堡"设计理念）。

图2.2.3 非焊接型SIM卡连接器
西门子S3com（S5）和S3com BOM手机就是采用的这种连接器，占用了板空间13mm×23mm 。

②紧凑小型（图2.2.4）
▲ 表面贴焊（SMT）到PCB
▲ 尺寸紧凑
▲ 端子是磷青铜的
▲ 拔插寿命10000次以上
▲ 镍上镀铅镍再镀金
▲ 在PCB板上高度2.60mm，宽度8.7mm
图2.2.4 紧凑小型SIM卡连接器
摩托罗拉公司的d160手机采用了这种连接器。

③带开关的紧凑型（图2.2.5）
▲ 6个电路引脚，带有刀片状常断开关
▲ 表面贴焊到PCB
▲ 端子是磷青铜材料的
▲ 10000次以上的拔插寿命
▲ 在PCB板上的高度2.50mm，宽度16mmm
图2.2.5 带开关的紧凑型SIM卡连接器摩托罗拉的StarTAC手机采用了这种SIM卡连接器。

④带有弹出器型（图2.2.6）
▲ 6个电路引脚，具有位置开关
▲ 两件式：卡支座和弹出机构本体
▲ 卡支座和按钮根据客户需要制作
▲ 表面贴焊到PCB板
▲ 端子是磷青铜材料的
▲ 拔插寿命高于5000次
▲ 镍上镀金▲ 在PCB板上的高度3.10mm，宽度25.0mm
图2.2.6 带有弹出器的SIM卡连接器
西门子S7、S10手机以及一些Sony手机（DM-DX2000）都采用了这种带有弹出器的SIM卡连接器。

此外，西门子S4和Sony CMX-DX1000等还采用了一种尺寸更小的微型带弹出器的SIM卡连接器。

⑤支座型（无弹出器）（图2.2.7）
▲ 6个电路引脚
▲ 有焊脚用于固定在板上
▲ 表面贴焊到PCB板上
▲ 拔插寿命5000次以上
▲ 滑入式
▲ 在额定偏斜范围内，接触力为0.44牛顿
图2.2.7 支座型SIM卡连接器
西门子S6型手机采用的就是这种SIM卡连接器。

⑥其它
其它还有一些类型如廉价简单型（图2.2.8）、超小外形型（图2.2.9）等。

图2.2.8 廉价简单型SIM卡连接器
图2.2.9 超小外形型SIM卡连接器
超小外形型也是表面贴焊到PCB板上，在PCB板上的高度只有1.20mm或1.90mm，宽度7.62mm ，拔插寿命可达10000次以上。

第三节输入/输出（I/O）连接器
1 手机用I/O连接器
手机上I/O连接器是手机与外部设备联系的通道，经常安排在手机的下部。

要求它具有长的拔插寿命，多功能、具有多种形式的端子，甚至可以传输红外数据，并且可以根据客户的要求定制。

图2.3.1和2.3.2示出了一种手机I/O连接器从前后两个侧面看到的视图。

图2.3.1 I/O连接器示意图a
图2.3.2 I/O连接器示意图b
上面画出的是I/O连接器安装在手机上的部份，它还应该有另一部份与它连接，这就是插头连接器，图2.3.3画出了Molex公司的Mobi-Mate型插头连接器的分解示意图。

其中插头座体是插入手机上的I/O连接器用的，射频（RF）接插头也包含在内，上下外壳起保护作用，锁销和螺钉等起对位和固定作用。

图2.3.3 Mobi-Mate I/O 插头连接器
同轴接口部份如图2.3.4，可以选择是否装有开关触点的。

已经证明，同轴接口当连接器分离间隙达1.5mm时也能正常工作，这点对在震动环境下工作很关键。

手机同轴元件能够
承受"猛烈粗暴"拔插，甚至插头角度达60度时，都不会损坏。

图2.3.4 同轴插头座
2 手机I/O连接器的材料与指标
我们以Molex产品为例介绍。

I/O连接器在手机部份所用材料：
■ 座体是用50％的GF尼龙
■ SMT固位片用磷青铜（PhBr），在1.27微米厚的镀镍层上再镀3-5微米厚的锡铅（SnPb）
■ 锁销也用PhBr，也是在1.27微米厚的镀镍层上再镀3-5微米厚的SnPb
■ 信号接触簧片也是PhBr，在1.0微米后的铅镍（PbNi）镀层上薄镀一层金，在焊接区镀3.0微米厚的SnPb，底层镀1.27微米厚的镍。

I/O连接器的插头部份所用材料：
■ 外壳和按钮：30% 的GF聚酯
■ 锁销：不锈钢
■ 信号接触片：BeCu（铍铜）
■ 电镀：在1.0微米厚的PbNi镀层上薄镀一层0.1微米厚的金，底层电镀1.27微米厚的镍，焊接区镀3-5微米厚的SnPb 。

I/O连接器的电气指标主要为：
■ 电流：信号接触簧片：标准值1安培，在某些规定条件下可达2安培。

同轴电缆：0.5安培。

■ 电压：在摄氏25度下50Vac（交流有效值）。

■ 射频（RF）阻抗：50欧姆。

■ 射频频率：0-2.0 GHz 。

■ 接触电阻：初始值小于10毫欧姆，经过5000次拔插后，小于20毫欧姆。

■ 绝缘电阻：射频：1000兆欧姆；信号：500兆欧姆
■ 电压驻波比（VSWR）：初始值：在1.8GHz下小于1.5，经过5000次拔插后，在1.8GHz下小于1.8 。

■ 插入损耗：经过5000次拔插后，在0.9GHz下小于0.2dB 。

, ■ 串扰（cross-talk）：（仅对开关式同轴线）在1.8 GHz下小于1.1dB 。

I/O连接器的机械指标主要为：
■ 寿命：最少5000次拔插。

■ 插力（insertion force）：信号接触簧片：0.7牛顿；射频接触体：2.4牛顿；经过5000次拔插后总改变的最大值0.5牛顿。

■ 拔力（withdrawal）：最小值25牛顿。

■ 多轴插合对的功能测试：见产品指标。

■ 缓解应力的柔性测试：见各自电缆配置。

3 手机I/O连接器形式
手机I/O连接器在满足基本要求的基础上，还根据客户需要、厂家的设计意向、成本等诸多因素变化，形式上有所变化。

以连接器的电路接触体为例，就有平接触头和刀形两种，再配合不同外形的座体，就会产生各种不同形式。

Molex的I/O连接器在90年代就经历了如图2.3.5的变化。

由图可以看出，I/O连接器经历了由简单到复杂、由功能少到功能更多的演变。

另外从Molex的产品品种分，又有：平头型（flat pad）、Mobi-Mate型、SMT IO连接器和压紧型连接器（compression connector）,（请见图2.3.6）。

它们都是多功能的，如包含有：电池端子、充电端、数据传输端、圆形直流（DC）插座，圆形立体声插座、麦克风插座，射频接触体，甚至红外模块也都集成在连接器中。

Molex公司供应和定制各种形态的产品。

90年代平头和刀状I/O连接器演变
简单平头平头配锁多功能刀状多功能刀状配麦克风复杂平头
图2.3.5 I/O连接器的变化
平头型价格适当，小外型的I/O系统
移动设备的输入/输出系统
SMT I/O 连接器
压紧型连接器Molex压紧型连接器-是改善设计灵活性和节省空间的新措施。

图2.3.6 Molex生产的I/O连接器
关于Mobi-Mate I/O连接器
Mobi-Mate是Molex公司设计与生产的一种I/O连接器，供移动设备使用，当然也包括手机在内。

它力图满足现代手持或袖珍系统对连接器的如下要求：
■ 尽可能占用最小的空间，要小外形、PCB板占用空间最小。

■ 高频、低频和充电接触体组合在一起。

■ 耐用，寿命长，能够承受高数量的拔插次数。

关于平头（Flat Pad）I/O连接器
平头I/O连接器是Molex公司设计与生产的另一种I/O连接器。

其外形如图2.3.7所示，它的特点是：
■ 14个"平头"电路引脚。

■ 锁销有两个作用：固位和充电。

■ 焊脚也有附加固位作用，提供良好的定位作用，保护接触体（或接触簧片）。

■ 适当地安置射频线，独立与系统连接器，一般安放在终端底部。

■, 小外形。

■ 较长的引线，容易表面安装。

■ 成本较低。

图2.3.7 平头I/O连接器
下面介绍I/O连接器在手机中的应用例。

①阿尔卡特（Alcatel）HD系列：
图2.3.8示出了阿尔卡特HD手机的I/O连接器和直流充电插头及附件插头。

它的I/O连接器有14个"平头"型电路引脚，连接器上有锁，用作紧固插头用。

焊脚也提供连接器与电路板以额外的紧固作用。

阿尔卡特（Alcatel）HD系列
图2.3.8 阿尔卡特HD手机系列上使用的连接器
②西门子S3com（S5）手机：
图2.3.9示出了西门子（Siemens）S3com（S5）手机上使用的一些连接器。

其中I/O连接器上有16个信号接触体，导孔是为将手机安放在托架上用的。

有SMT 焊脚。

手机连接器（不含RF）直流充电器部分SIM卡连接器电池连接器车载使用的附件
图2.3.9 西门子S3com（S5）手机上使用的一些连接器
■ 容易使用，电缆连接器有可靠的锁紧系统，在恶劣使用环境下（如车载）保证良好的电气性能，同时仍然是用户友好的和无故障。

■ 容易生产，无欠缺。

■ 在装配线上与PCB装配时能保证正确就位和固位。

■ 设计灵活，功能可选，功能广泛。

图2.3.1和图2.3.2的示意图实际就是Mobi-Mate 连接器。

另外，它安装在PCB正面板上时，其芯线部份要高出PCB板4.80mm，避免了为保证安全而使用昂贵的保险装置，同时PCB板的背面还能安装其它元部件和布线，利于节省空间。

信号接触体（片）与PCB板只有0.50mm的间隙，使占用空间最小，保证最精确地控制间隙和共面性，最有利于目视检查。

利用螺钉和栓柱把插头的接触体部份安全地锁在外罩内，最终用户不能打开插头。

此外，为缓解电缆和座体的应力，Molex公司也采取了特殊措施，保证恶劣环境条件下良好电性能。