56G高速背板連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

曹永泉，王 勇，陳群強(qiáng)，木青峰

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引 言

隨著系統(tǒng)升級(jí)、數(shù)據(jù)處理量的快速增長(zhǎng)，客戶對(duì)高速連接器品種需求和性能提升需求越來越旺盛，特別通信設(shè)備領(lǐng)域(如骨干和城域網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、高端核心路由器等)及IT行業(yè)(如服務(wù)器、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算機(jī)等)對(duì)高速背板連接器性能要求最高。

目前，市場(chǎng)上通用的連接器速率是10Gbps～40Gbps，未來新一代高速背板連接器的傳輸速率將達(dá)到56Gbps(NRZ)，甚至達(dá)到112Gbps(PAM4)，主要是為滿足刀片式服務(wù)器內(nèi)部主板與背板之間的高速數(shù)字信號(hào)傳輸而采用的高速互聯(lián)接口，它們作為高速背板的“橋梁”與“樞紐”，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作，在整個(gè)通信鏈路中的可靠性傳輸至關(guān)重要[1-3]。

2 國(guó)外產(chǎn)品情況

國(guó)外在高速背板連接器領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，而且發(fā)展十分迅猛。目前，隨著系統(tǒng)速率的急劇攀升，國(guó)外TE(原TYCO公司)、Amphenol ICC、Molex、Samtec等廠商都已開發(fā)出傳輸速率40Gbps以上的高速背板連接器，其代表產(chǎn)品系列有美國(guó)TE公司的STRADA Whisper系列，美國(guó)Molex公司的Impel系列，美國(guó)Amphenol ICC公司的ExaMAX系列及Paladin系列，各廠家產(chǎn)品圖片如圖1示。

圖1 國(guó)外56G高速背板連接器圖片

各系列產(chǎn)品均具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，彼此之間不具有兼容性，其共同的特點(diǎn)為：1)采用魚眼壓配形式實(shí)現(xiàn)連接器與PCB安裝；2)差分對(duì)周圍至少270°屏蔽+互補(bǔ)屏蔽結(jié)構(gòu)；3)接觸件多點(diǎn)接觸；4)引腳間距尺寸各不相同，但是都滿足阻抗匹配和高密度要求；5)印制板上差分對(duì)周圍多點(diǎn)接“地”；6)差分對(duì)內(nèi)兩條走線電長(zhǎng)度在3ps以內(nèi)。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

為了確保56G高速背板連接器在使用中發(fā)揮較好的傳輸性能，我們需要重點(diǎn)考慮連接器設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和印制板開孔設(shè)計(jì)三個(gè)方面。

3.1 連接器設(shè)計(jì)

連接器設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮接觸方式設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、阻抗設(shè)計(jì)、傳輸延時(shí)設(shè)計(jì)和插入損耗設(shè)計(jì)。

(1)接觸件方式設(shè)計(jì)

(a)接觸件

連接器對(duì)接接觸區(qū)是阻抗失配較為嚴(yán)重的區(qū)域，通常為防止接觸件插合時(shí)“兌針”和滿足一定接觸長(zhǎng)度的要求，彈性接觸件頭部一般伸出一小段作為接觸件插合的導(dǎo)向，剛性插針端會(huì)伸出較長(zhǎng)一段(>1.5mm)，如圖2(a)所示，正是這兩段長(zhǎng)度易造成高頻諧振，稱之為“短樁(stub)效應(yīng)”，其對(duì)插損指標(biāo)影響很大，如圖2(b)所示，連接器在24GHz以后出現(xiàn)了明顯的諧振點(diǎn)。

因此，為了降低接觸區(qū)短樁影響，國(guó)外產(chǎn)品在接觸件設(shè)計(jì)上都采用前后多點(diǎn)同時(shí)接觸的設(shè)計(jì)方式，如3所示。

(a)Impel系列

(2)屏蔽設(shè)計(jì)

串?dāng)_對(duì)于高速信號(hào)傳輸影響很大，通常連接器上串?dāng)_來源于對(duì)接區(qū)域、連接器與DC(子板)和BP(背板)銜接區(qū)域，或者其它非線性不連續(xù)突變區(qū)域。因此，為滿足56Gbps速率傳輸要求，屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，連接器需要采用金屬片全屏蔽或180°屏蔽方式，降低差分對(duì)之間的串?dāng)_，提升產(chǎn)品傳輸速率。這種屏蔽方式目前使用較多，如圖4所示，國(guó)外速率≥40Gbps的產(chǎn)品屏蔽方式。

另外，相鄰之間差分對(duì)交錯(cuò)排列也是降低串?dāng)_的有效方法，這主要是差分對(duì)之間的電磁場(chǎng)位置發(fā)生改變，受到干擾的能量減少所致。如圖5所示為相鄰差分對(duì)錯(cuò)開一定距離Δ示意圖，Δ的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)串?dāng)_性能提升改善明顯。

(a)Whisper Stradal (b) ExaMax

圖5 差分對(duì)引腳的錯(cuò)位排列

(3)阻抗設(shè)計(jì)

連接器的阻抗匹配非常重要，它包括連接器自身的阻抗設(shè)計(jì)和連接器與PCB板的匹配阻抗設(shè)計(jì)。

通常我們會(huì)用理論公式進(jìn)行所有連續(xù)截面阻抗計(jì)算，初步設(shè)定好整體結(jié)構(gòu)，然后用HFSS或CST等電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行仿真，找出所有不連續(xù)部分，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，使其阻抗?jié)M足目標(biāo)阻抗+/- ΔR。如圖6所示是背板連接器仿真模型，包括一個(gè)直式插座和一個(gè)直角插頭，需要重點(diǎn)考慮的是接觸件接觸區(qū)、全塑膠區(qū)、半塑膠區(qū)、空氣段、與PCB連接區(qū)的阻抗匹配。

圖6 背板連接器仿真模型

(4)傳輸時(shí)延設(shè)計(jì)

差分對(duì)間兩根傳輸線的長(zhǎng)度要求等長(zhǎng)，如果傳輸線長(zhǎng)度不相等，那么差分信號(hào)將不能得到同步傳輸，兩個(gè)信號(hào)間就會(huì)出現(xiàn)相位差，從而產(chǎn)生共模信號(hào)[4]。通常直式連接器兩條傳輸線的等長(zhǎng)控制非常容易，但直角連接器從結(jié)構(gòu)上不可避免的形成不等長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)走線會(huì)比外部走線段，所以需要進(jìn)行等長(zhǎng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

常用的設(shè)計(jì)方法有：(1)用單端激勵(lì)求延時(shí)差，調(diào)整介質(zhì)線寬滿足阻抗和skew要求；(2)用差分激勵(lì)求Scd21，調(diào)整介質(zhì)線寬使其<-20dB，若成本無明顯增加應(yīng)盡量壓低Scd21；(3)最短差分對(duì)須單獨(dú)仿真skew/Scd21；(4)如圖7所示，內(nèi)側(cè)短線增加LCP塑膠以增加延時(shí)，同時(shí)減小線寬以增加阻抗，或者外側(cè)挖空LCP以減小延時(shí)，同時(shí)增加線寬以降低阻抗。

圖7 時(shí)延補(bǔ)償

(5)插入損耗設(shè)計(jì)

連接器的插入損耗損耗一般包括導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗，當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，損耗最小，因此整個(gè)傳輸路徑可考慮盡量減少介質(zhì)材料，即以空氣作為傳輸介質(zhì)。另外導(dǎo)體的表面粗糙度需要降低，包括電鍍后的表面質(zhì)量，因?yàn)殡S著傳輸速率的提高，導(dǎo)體的屈服效應(yīng)越加明顯。最后整個(gè)傳輸通道的阻抗一致性控制和減小各個(gè)部位的短樁效應(yīng)(如接觸區(qū)、連接器與PCB連接區(qū))也需重點(diǎn)考慮。

3.2 工藝設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)也要重點(diǎn)考慮，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)偏向優(yōu)化傳輸性能方面考慮，但實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，零件加工需要有連料、有避讓、有防止變形等多方面的工藝考慮和批量生產(chǎn)的考慮，所以最原始的模型往往會(huì)做較大的改動(dòng)，因此每次改動(dòng)都要進(jìn)行相應(yīng)的傳輸性能仿真。如圖8所示，連料(tie bar)部分需要挖空，為了滿足阻抗匹配同步需要金屬加寬，另外，接觸件Mating點(diǎn)前后也需金屬加寬，可以降低容性儲(chǔ)能震蕩不能立即回穩(wěn)而產(chǎn)生的感性過沖。

圖8 工藝tie bar示意圖

3.3 印制板設(shè)計(jì)

高速PCB印制板的設(shè)計(jì)主要包括板材選擇、開孔設(shè)計(jì)、反焊盤設(shè)計(jì)、背鉆設(shè)計(jì)等。

(1)材料選擇

由于PCB材料的DF(Disspation Factor)參數(shù)會(huì)影響插入損耗，因此高速傳輸會(huì)選用較低的DF值材料。典型的低速材料有FR-4材料，一般帶寬小于2.5GHz，典型的高速材料有Nelco 4000-13EP、Megtron6材料，其帶寬可以達(dá)到15GHz，通常高速PCB板材選用M6高頻材料用做PCB介質(zhì)材料。

(2)開孔設(shè)計(jì)

為了獲得較高的引腳密度，連接器針腳間距通常較小，在保證阻抗的同時(shí)過孔直徑也會(huì)比較小。目前56G高速背板連接器通常采用的PCB孔徑為信號(hào)針0.31mm或0.36mm，接地針為0.4mm或0.46mm。另外，推薦信號(hào)針周圍設(shè)置盡可能多的地回路，這樣可獲得較好的高速性能；多個(gè)地針應(yīng)該均勻的分布在差分信號(hào)針周圍，這樣可以為差分信號(hào)提供均衡的回流路徑，避免因不平衡的回流路徑導(dǎo)致差分對(duì)內(nèi)的實(shí)時(shí)偏斜，造成模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生誤碼。

(3)反焊盤設(shè)計(jì)

如圖9所示，反焊盤設(shè)計(jì)對(duì)電性能影響很大，較大的反焊盤直徑可以減少過孔的容性耦合，獲得更高的阻抗和耐電壓性能。但是其減少了PCB布線或走線的寬度，較長(zhǎng)的走線在反焊盤下面也會(huì)出現(xiàn)不匹配的情況。較小的反焊盤直徑尺寸可以減少電磁干擾和臨近信號(hào)對(duì)的串?dāng)_，改善了信號(hào)走線與“地”之間的參考。因此為了獲得較小的反焊盤尺寸，同時(shí)考慮阻抗偏小問題，一定要將內(nèi)部與底層同層的走線非功能焊盤去除。通常推薦所有不用的過孔終止于地平面，以改進(jìn)isolation，而且減少高速信號(hào)反射。

圖9 反焊盤示意圖

(4)背鉆設(shè)計(jì)

通常，電鍍通孔的傳輸帶寬受限于過孔深度，通孔結(jié)構(gòu)成本低，但是會(huì)在信號(hào)線下面留出一個(gè)較長(zhǎng)的容性“短樁”。較長(zhǎng)的過孔短樁或者信號(hào)針短樁都會(huì)降低信號(hào)傳輸性能。如圖10(a)、(b)，同樣深度的過孔，印制板走線位置關(guān)系到短樁長(zhǎng)度，進(jìn)而影響傳輸線帶寬。為了獲得較短的過孔短樁影響，在PCB加工時(shí)會(huì)把多余的過孔去除，即采用背鉆技術(shù)減少短樁，如圖10(c)所示。留下的部分僅為連接器魚眼長(zhǎng)度，背鉆工藝增加了加工成本，但是可以提升高速傳輸性能，短樁長(zhǎng)度可以減少到0.254mm，大大地提升了過孔傳輸帶寬。

(a)短“短樁”

4 產(chǎn)品驗(yàn)證

根據(jù)56G高速背板連接器設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和PCB板設(shè)計(jì)等主要因素的分析，我們開發(fā)了一款56Gbps高速背板連接器，如圖11所示。該款連接器的接觸件采用了多點(diǎn)接觸方式，如圖12(a)，有效地減少接觸區(qū)的“短樁”效應(yīng)；在屏蔽方面，通過屏蔽片組合式結(jié)構(gòu)，全鏈路形成360°包圍結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了錯(cuò)排設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升串?dāng)_性能，如圖12(b)所示。

圖11 插座結(jié)構(gòu)

(a)接觸區(qū)

圖13 產(chǎn)品仿真示意圖

對(duì)于彎式差分對(duì)不等長(zhǎng)問題，我們根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中傳播速度不同的原理，調(diào)整了差分對(duì)周圍介電常數(shù)的方法，完成差分對(duì)兩條線路電氣等長(zhǎng)設(shè)計(jì)。并對(duì)每一路差分對(duì)進(jìn)行了等長(zhǎng)設(shè)計(jì)和仿真，每個(gè)差分對(duì)的Scd21均≤-20dB。

產(chǎn)品最終測(cè)試結(jié)果如表1所示，指標(biāo)與國(guó)外產(chǎn)品指標(biāo)相當(dāng)，滿足56Gbps的傳輸要求。

表1 產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果

5 總結(jié)

本文介紹了目前國(guó)外傳輸速率56Gbps的高速背板連接器基本情況，然后對(duì)56G高速背板連接器設(shè)計(jì)方面需要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析，最后根據(jù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了產(chǎn)品實(shí)物開發(fā)，測(cè)試結(jié)果滿足指標(biāo)要求，證明設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)同類高速背板連接器的開發(fā)提供了參考與借鑒。