Type C Gen2對(duì)絞線的線纜設(shè)計(jì)*

林清壽，李必祿，何小明

（安費(fèi)諾電子裝配（廈門(mén)）有限公司，福建 廈門(mén) 361009）

0 引 言

2013年12月，USB3.0推廣團(tuán)隊(duì)公布了下一代USB連接器Type-C的渲染圖。隨后，在2014年8月開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。新版接口的亮點(diǎn)在于更加纖薄的設(shè)計(jì)、更快的傳輸速度（最高10 Gb/s）以及更強(qiáng)悍的電力傳輸（最高100 W）。Type-C雙面可插接口最大的特點(diǎn)是支持USB接口雙面插入，正式解決了“USB永遠(yuǎn)插不準(zhǔn)”的世界性難題，實(shí)現(xiàn)了正反面隨便插[2]。2015年3月9日，在美國(guó)舉行的蘋(píng)果新品發(fā)布會(huì)上，全新MacBook首次在筆記本電腦上將電源接口、USB接口、DP接口、HDMI接口與VGA接口統(tǒng)一用一個(gè)Type C接口來(lái)承載，是Type C技術(shù)第一次在消費(fèi)級(jí)筆記本電腦上的應(yīng)用[3]。

隨著Type C接口的廣泛適應(yīng)，與它配套使用的USB數(shù)據(jù)線也必須更細(xì)和更輕便。Type C兼容USB2.0/3.0/3.1接口，并通過(guò)E-Marker芯片技術(shù)自動(dòng)識(shí)別電子產(chǎn)品所需的電壓和電流，輸出電流2～5 A。封裝有E-Marker芯片的Type C有源電纜，DFP和UFP利用PD協(xié)議可以讀取該電纜的屬性，包括電源傳輸能力、數(shù)據(jù)傳輸能力和ID等信息。在Type C外模尺寸不變的情況下，如何解決帶E-Marker芯片的全功能Type C cable assembly的SI性能和可制造性問(wèn)題成為重點(diǎn)。本文基于polar SI 9000仿真軟件對(duì)整條Type C線纜鏈路按產(chǎn)品實(shí)際制程的要求進(jìn)行阻抗較為精確的仿真并采用新的制程工藝成功解決Type C Gen 2的SI性能及可制造問(wèn)題。

1 Type C線纜結(jié)構(gòu)

Type C cable assembly產(chǎn)品圖紙外形圖如圖1所示。它的內(nèi)部組成為T(mén)ype C連接器+PCBA+Raw Cable+PCBA+Type C連接器，如圖2所示。全功能Type C線纜的標(biāo)準(zhǔn)接線表，如表1所示。

圖1 Type C cable assemble產(chǎn)品圖紙外形

圖2 Type C連接器+PCBA+Raw Cable+PCBA+Type C連接器

表1 全功能Type C線纜的標(biāo)準(zhǔn)接線

2 Type C線纜鏈路的阻抗控制設(shè)計(jì)

為了更好的成本管控，目前大多數(shù)廠商采用鍍錫對(duì)絞線來(lái)制造Type C Raw cable。正常來(lái)說(shuō)，Raw線材性能只要管控好衰減和ILD參數(shù)，即可滿足Type C的SI性能要求。因此，Type C PCBA的設(shè)計(jì)和制程加工才是整個(gè)Type C SI性能的瓶頸。Type C Cable性能好不好，主要看整個(gè)鏈路的阻抗是否連續(xù)平穩(wěn)且在規(guī)范要求的范圍（76～96 Ω）內(nèi)。如果阻抗在整個(gè)鏈路都比較平穩(wěn)，那它的IMR/IRL性能較好；反之，IMR/IRL性能會(huì)Fail。當(dāng)然，阻抗是否連續(xù)平穩(wěn)不僅會(huì)影響IMR/IRL的性能，而且影響衰減、串?dāng)_等SI參數(shù)。因此，Type C線纜最關(guān)鍵的一點(diǎn)是阻抗控制。

影響Type C整條線纜阻抗連續(xù)性主要有6個(gè)區(qū)域：

（1）Type C連接器本身的阻抗；

（2）Type C連接器與PCBA焊接的SMT區(qū)域；

（3）PCBA板上阻抗線的區(qū)域；

（4）PCBA焊線區(qū)域；

（5）開(kāi)線口區(qū)域；

（6）SR鉚壓區(qū)域。

2.1 Type C PCBA的阻抗設(shè)計(jì)

Type C接頭本身的阻抗一般設(shè)計(jì)為85 Ω。由于Type C連接器阻抗仿真及制造比較復(fù)雜，因此本文主要針對(duì)Type C-連接器與PCBA焊接的SMT區(qū)域、PCBA板上阻抗線、PCBA焊接區(qū)域、開(kāi)線口區(qū)域以及SR鉚壓區(qū)域做設(shè)計(jì)仿真及分析。Type C連接器與PCBA焊接的SMT區(qū)域、PCBA阻抗線和PCBA焊線區(qū)域的阻抗與PCBA設(shè)計(jì)關(guān)系密切?？紤]到后工段的加工工序會(huì)對(duì)這3個(gè)區(qū)域造成阻抗下降的影響，要特別注意PCB板材的選型、阻抗設(shè)計(jì)和疊層結(jié)構(gòu)等。考慮到客戶可能需要無(wú)鹵的材質(zhì)，推薦的板材是EM888K。

Type C連接器SMT工序和后工段的內(nèi)模工序會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的阻抗下降10 Ω左右。因此，針對(duì)PCBA SMT區(qū)域的焊盤(pán)要做特別設(shè)計(jì)，需要上下兩面焊盤(pán)采用內(nèi)層錯(cuò)開(kāi)挖空的方式，如圖3所示。另外，對(duì)鋼網(wǎng)的開(kāi)口和厚度也要做特別的規(guī)定。鋼網(wǎng)的開(kāi)口大小跟焊盤(pán)面積一樣，鋼網(wǎng)厚度建議為0.08 mm。

圖3 上下兩面焊盤(pán)采用內(nèi)層錯(cuò)開(kāi)挖空的方式

基于后工段內(nèi)模工序會(huì)造成PCBA板上阻抗線阻抗下降的影響，將阻抗線中值設(shè)計(jì)為92 Ω進(jìn)行補(bǔ)償。PCBA來(lái)料按(92±7) Ω的公差來(lái)管控。疊層結(jié)構(gòu)和PCBA阻抗線仿真，如圖4所示。

圖4 疊層結(jié)構(gòu)及PCBA阻抗線仿真

2.2 開(kāi)線口區(qū)域的阻抗控制

針對(duì)PCBA焊接區(qū)域，要考慮焊線、涂UV膠及內(nèi)模工序會(huì)使該區(qū)域的阻抗下降。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需同時(shí)該區(qū)域焊盤(pán)區(qū)域的阻抗要將線材、UV膠及內(nèi)模綜合因素等。經(jīng)過(guò)焊線、涂UV膠及內(nèi)模工序 后的仿真基本可以穩(wěn)定在85Ω左右，如圖5所示。

圖5 經(jīng)過(guò)焊線、涂UV膠及內(nèi)模工序后的仿真

2.3 SR鉚壓高度控制

最后，要控制好SR鉚壓高度，因?yàn)榫€材鉚壓過(guò)緊會(huì)使差分線受到擠壓造成阻抗下降。因此，控制鉚壓高度也是非常重要的。要根據(jù)線材的外被OD設(shè)置不同的鉚壓高度。圖6是鉚壓過(guò)緊造成阻抗跌落的曲線。通過(guò)上述6個(gè)區(qū)域的阻抗控制，比較理想的阻抗線如圖7所示，且該條Cable通過(guò)了Type C Gen 2的SI性能測(cè)試。

圖6 鉚壓過(guò)緊造成阻抗跌落的曲線

圖7 比較理想的阻抗曲線

3 新的線夾工藝

Type C線纜的另外一個(gè)難點(diǎn)是可制造性不好。為了方便大批量生產(chǎn)，引入線夾工藝，即在焊接前先將線擺進(jìn)線夾再hot bar焊接的方式。引入線夾會(huì)增加高速差分對(duì)鋁箔開(kāi)口的長(zhǎng)度，導(dǎo)致top面和bot面高速差分對(duì)在開(kāi)線口區(qū)域的串?dāng)_增加。經(jīng)過(guò)多次改善和驗(yàn)證，終于找到了一種徹底解決串?dāng)_的線夾工藝。圖8的線夾方式是最常用的線夾工藝，開(kāi)線口阻抗不好控制，且高頻串?dāng)_特別是INEXT參數(shù)會(huì)出現(xiàn)不良。為了解決這個(gè)串?dāng)_不良，驗(yàn)證將線夾厚度由0.8 mm增加1 mm，驗(yàn)證結(jié)果仍不能完全解決Type C串?dāng)_的問(wèn)題。另外，Type C Gen2要求衰減更嚴(yán)格。隨著鍍錫Raw線材OD增大，整體的Cable OD也相應(yīng)變大，制造變得越來(lái)越困難，制程對(duì)串?dāng)_的影響也變得越來(lái)越大，產(chǎn)品的制程工藝變得越來(lái)越困難，產(chǎn)品的良率也變得越來(lái)越差。為了從根本上解決Type C高頻串?dāng)_的問(wèn)題，將線夾設(shè)計(jì)更改為如圖9所示的方式，即將線夾套進(jìn)PCBA，以保證上下面的線夾開(kāi)線口區(qū)域通過(guò)PCB板的地平面隔離，有效降低開(kāi)線口阻抗和改善高頻串?dāng)_。實(shí)際1M Type C Gen 2線纜成品的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖8 線夾方式

圖9 線夾設(shè)計(jì)更改

表2 實(shí)際1 M Type C Gen 2線纜成品的測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出通過(guò)polar SI 9000仿真軟件，結(jié)合Type C線纜實(shí)際制造工藝，模擬仿真整條Type C線纜鏈路的阻抗，同時(shí)采用改進(jìn)的線夾工藝來(lái)解決Type C Gen 2 IMR/IRL、串?dāng)_問(wèn)題，并同步解決了大批量生產(chǎn)問(wèn)題。實(shí)際制造的產(chǎn)品通過(guò)USB協(xié)會(huì)的認(rèn)證結(jié)果表明，通過(guò)實(shí)際模擬和控制整條鏈路的阻抗和采用新型線夾工藝，對(duì)Type C高速線纜開(kāi)發(fā)具有重大意義。