ASM連接器設計簡介

陳宏基

(立訊技術有限公司，廣東省東莞市，523808)

1 引言

萬物互聯的時代，數據的交換傳輸信息容量激增，連接器傳輸速率不斷提高，從PCIe標準迭代過程可見一斑，如表格1?，F階段，PCIe5.0被主流設備及相關器件設計所采用，但是為滿足應用場景更高的數據傳輸速率、更低的傳輸延遲、更低的功耗，業界已經期待PCIe6.0的推出。

表1 PCIe 標準演進

標準的要求不斷更新，但對高速連接器而言基本上遵循以下幾個方面：

1.1 傳輸接口的標準化

應用技術迭代，每一代設備的更新會推出新的連接器，如果各個設備制造商各自自定義接口界面，這會導致連接器接口一致性及相互兼容性差，造成產品開發、設備應用維護資源的浪費。因此，現有高速連接器的通用標準都有專業的標準協會定期更新，各個連接器制造商開發一般都遵循標準開發，如：SLIM SAS、GenZ、SFF 1016、SFP、SFP-DD、QSFP、OSFP、QSFP-DD等。

1.2 不斷提升傳輸性能

實現更高的數據傳輸速率是高速連接器的核心訴求，提升性能的方法除了在連接器和線纜組件產品自身設計、使用材料和制造工藝上下功夫外，系統設計層面同樣也在做技術升級。首先，采用支持更高效的數字調制模式，從每符號周期1bit的NRZ編碼向每符號周期2bit的PAM4編碼升級。其次，用線纜傳輸替代傳統的PCB線路傳輸，進一步降低鏈路的損耗。再者，相同接口界面大小的連接器中增加更多的傳輸通道，獲得更高的整體帶寬，從而提升傳輸的容量。例如，在同樣的調制模式下，四通道的SFP DD系統比兩通道的SFP系統帶寬多一倍；八通道的QSFP DD系統要比四通道的QSFP系統支持的帶寬翻倍。

1.3 兼容性及小型化

現有技術迭代升級的速度越來越快，在同一傳輸互聯系統中新一代設備與在網設備共存成為常態，因此新的標準和產品，需要充分考慮與原有標準和產品的兼容性，從而充分利用設備、零組件供應商的原有投資，達到新方案的經濟效益最大化。此外，減小產品外形尺寸，提高設備內部空間的利用率，一直是設備對配套連接器的持續需求。

2 設計需求分析

2.1 市場現有同類產品

目前市面上與ASM類似的產品主要有兩大類：GenZ、SFF 1016規范中的產品，這兩類產品都支持Cable與PCB的互聯及PCB與PCB的互聯應用場景。GenZ 及SFF 1016中規定的產品是完整的系列產品，產品數量較多，現以類似的其中一個產品為代表做對比說明，同系列其它產品外形尺寸可查閱對應的通用規范。

圖1 GenZ 2C VT產品外形示意圖

圖2 SFF 1016 74pin VT產品外形示意圖

通過表2，分析對比兩類產品的外形結構尺寸及各自性能指標，同時結合服務器內部有限的PCB空間，可以得出ASM產品在結構設計上可以突破的幾點：

表2 GenZ 2C VT 與SFF 1016 74pin對比

1.產品外形尺寸需要進一步減少，節省服務器內部及PCB板的器件布板空間。

2.這兩類連接器的PCB布局,關鍵的定位孔及屏蔽殼體的焊接腳位置布局不一致，不具有兼容性，即設備制造商的PCB如果按照其中一種連接器PCB布局規格設計，設備商想切換另一款新連接器，PCB必須重新設計制造。因此，新界面連接器至少能兼容一種產品的PCB布局。

3.產品性能上需要滿足PCIe 5.0的需求，實際應用上需要具備防止斜插的防呆能力。

3 產品結構設計

3.1 確定整體外形尺寸

連接器產品由多個零件裝配而成，外形尺寸的大小取決于組成零件的尺寸大小。零件尺寸的確定主要考慮產品的結構強度及信號完整性性能要求。

1.寬度方向尺寸縮小。在滿足結構強度的前提下，減少主體塑膠housing兩側面的厚度，同時，連接器與PCB板的固持采用屏蔽殼體焊腳與PCB焊接，不采用 DIP焊接片結構。因此相比較GenZ塑膠殼體，housing兩側面肉厚的尺寸分別由2.69mm和2.65mm都減少到1.60mm，成品連接器總寬度減少2.14mm Min。

2.高度方向尺寸縮小。高度方向尺寸的變化涉及到housing高度及接觸端子長度的優化。端子尺寸的變化需要綜合考慮：連接器公端與母端互配的摩擦距離及接觸正向力確保接觸的可靠性，同時，兼顧SI Stub的影響確保產品高頻信號傳輸的可靠性，相比GenZ設計，配合的深度由5.95mm降低到4.05mm，從而連接器的整體高度降低1.90mm Min。

圖3 GenZ 產品剖面示意圖

圖4 ASM 產品剖面示意圖

經過結構的調整及對應的力學、SI分析，ASM外形尺寸確定為25.8x7.49x6.15mm，相比相同pin數的SFF 1016整體外形縮小約20%。

圖5 ASM 產品外形尺寸示意圖

3.2 應用性能優化——防止斜插結構

產品實際應用過程中，人員安裝操作存在一定的隨機性，產品在X方向、Y方向存在一定的偏位及旋轉，插頭與插座沒有對正，從而導致傾斜插拔時母端接觸端子容易損壞。目前市面上批量使用的一款服務器內部高速連接器在多個系統設備廠發生失效，示意圖6-圖8。這種失效導致母端端子損壞，連接器無法使用。發生問題的主要原因是：產品缺少相應的防斜插防呆結構。

圖示6 產品傾斜裝配 圖示7 內部示意圖 圖示8 局部放大圖

ASM系列連接器在充分分析應用實際的基礎上，在有限的空間中設計類似L型的結構，可以有效的防止產品傾斜插入，即在傾斜插入時，L型結構能起到雙向防呆及導向的作用。

L型結構的設計需要注意強度及導向能力。L型強度取決于塑膠材料性能及結構尺寸大小。導向能力取決于L型的倒角及配合Cable端凸臺預導向長度。在設計繪圖過程中，預先做模型裝配模擬，避免結構尺寸裝配"死點"的發生,確保產品能順利導向裝配。

L型結構示意圖如下：

圖9 公端具有L型凸臺

圖10 母端具有L型腔體

ASM產品裝配防呆示意圖：

圖11 ASM整體裝配示意圖

圖12 X方向偏位、旋轉示意圖

圖13 Y方向偏位、旋轉示意圖

L形結構導向防呆模擬:

圖14 導向示意圖

3.3 接觸端子結構設計和仿真

接觸端子是連接器的核心部件，端子設計涉及材料、結構、電信號方面。根據接觸形式及尺寸要求，初步繪制端子模型，同步開展力學仿真及SI信號仿真，通過優化端子結構及塑膠結構，確定最終的設計方案。

圖15 端子應力仿真

從產品的SI仿真結果看，產品設計符合PCIe 5.0規格要求。

圖16 SI仿真結果

3.4 兼容性設計

1.配合界面與其它類別產品是否具有互配性

目前市面上不同連接器協會負責的業界規范中定義的產品都有各自獨特的配合結構特征，因此，不同的產品只能在性能要求上兼容類似的產品，相互之間是無法交叉互配，ASM產品也不例外。

2.PCB的layout是否能兼容其它產品的layout

與ASM類似的產品是GenZ 及SFF 1016規范中的產品。GenZ系列產品兩側帶有焊接片，ASM及SFF 1016產品取消了焊接片的結構，結構差異太大，因此，ASM與GenZ不存在相互兼容的可能性。但是，ASM與SFF 1016存在PCB layout兼容的可能性。

圖17 GenZ 、SFF 1016、ASM產品底部焊接面示意圖

ASM從設計上考慮兼容SFF 1016產品layout，尺寸定義如下:

現有SFF 1016 PCB layout尺寸定義如下：

圖19 SFF-1016 PCB layout

從尺寸規格可以看出，ASM的PCB layout兼容SFF 1016的PCB layout，即系統廠商如果已經使用SFF 1016的產品，在PCB layout不需要做調整的情況下，可以使用同類型的ASM產品，這增加了產品的兼容性。

綜上所述主要設計涉及點，ASM成品設計尺寸定義如下：

圖20 ASM 74pin VT尺寸示意圖

4 產品性能測試結果

產品已經通過機械、電氣、環境的可靠性測試，同時，SI性能實際測試結果滿足PCIe 5.0要求，目前已在市場上逐步推廣使用。

5 結論

新自主研發的ASM連接器及對應的內部電纜為互連系統提供了一種解決方案，可應對數據速率提高所帶來的挑戰，提供良好的信號完整性，同時還節省空間并降低設計成本。綜觀ASM產品的設計開發過程，以下兩點供同類產品設計參考：

1.產品開發需要充分結合實際應用，充分了解已有產品的痛點，并轉化為新產品設計開發的需求輸入。如：產品的小型化、兼容性、應用的可靠性，確保開發的產品更具有實際的市場應用價值，增加產品的市場技術競爭力。

2.高速連接器的設計是產品結構與信號性能不斷磨合優化的過程，設計過程需要利用仿真工具，對產品的結構性能、電性能做充分的模擬仿真分析，把時間花在"刀刃"上，避免后期產品因設計缺陷而做結構性修改模具，真正實現從設計方面控制費用投入，增加產品的市場成本競爭力。