連接器屏蔽與接地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙亮

摘要：隨著電連接器的不斷發(fā)展，電連接器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，電連接器其主要作用是用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸以及設(shè)備之間的電能傳輸。高速背板連接器的設(shè)計(jì)與制造常常存在一個(gè)設(shè)計(jì)的出而制造不出的問(wèn)題。通常在理論設(shè)計(jì)能夠達(dá)到我們理想的設(shè)計(jì)要求，但在實(shí)際的制造過(guò)程中因?yàn)榧庸ぴO(shè)備及裝配的局限，產(chǎn)品無(wú)法制造出來(lái)或成本太高，無(wú)真正的可量產(chǎn)性，企業(yè)沒(méi)有生產(chǎn)的積極性。在高速背板連接器的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合實(shí)際使用情況，采用最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，使得產(chǎn)品的選材、尺寸設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布局等方面達(dá)到一個(gè)最佳的組合，使得產(chǎn)品在性能方面、制造方面達(dá)到一個(gè)最佳的平衡，從而達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：高速背板連接器;屏蔽片;設(shè)計(jì)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的崛起，中國(guó)市場(chǎng)已經(jīng)成為高速背板連接器的第二大銷(xiāo)售市場(chǎng)。高速背板連接器中的信號(hào)完整性問(wèn)題的研究也越來(lái)越深入，并成為一個(gè)熱點(diǎn)。因該產(chǎn)業(yè)發(fā)源于歐美國(guó)家，他們的企業(yè)形成的相對(duì)成熟的研究、較為完整的研發(fā)體系、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以保證連接器在高速率的信號(hào)傳輸環(huán)境下的信號(hào)完整性。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，國(guó)家和大眾對(duì)信息通訊傳輸速度和設(shè)備體積提出了更高的要求，在這種趨勢(shì)下，信號(hào)與信號(hào)之間的距離逐漸縮短，但信號(hào)間相互耦合會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的串?dāng)_問(wèn)題，信號(hào)完整性也會(huì)因此而受到影響。如何保證信號(hào)完整性已經(jīng)成為背板連接器設(shè)計(jì)的核心，與其性能存在密切的關(guān)聯(lián)。因此，對(duì)此項(xiàng)課題進(jìn)行研究。

一、屏蔽分類(lèi)

在電子設(shè)備中，有時(shí)需要將電力線或磁力線的影響限定在某個(gè)范圍內(nèi)，需要在某個(gè)給定的空間內(nèi)防止外部的靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)力的影響。在這種情況下，利用銅或鋁等低電阻制成的容器，將需要隔離的部分全部包起來(lái); 或者用磁性材料制成的容器將它包起來(lái)，我們把防止靜電或電磁的相互感應(yīng)所采取的這些方法稱(chēng)之為屏蔽。

1、靜電屏蔽。靜電屏蔽主要是防止靜電場(chǎng)的影響。它的作用是消除兩個(gè)電路之間的由于電容的耦合而產(chǎn)生的干擾。另外，在兩個(gè)導(dǎo)體之間放一個(gè)接地導(dǎo)體時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)體之間的靜電耦合從而減弱，因此可以說(shuō)接地的導(dǎo)體也具有屏蔽作用。

2、電磁屏蔽。電磁屏蔽的必要條件是屏蔽導(dǎo)體內(nèi)流過(guò)高頻電流，而且電流必須在抵消干擾磁通的方向上，如果在垂直于電流方向上開(kāi)縫，就沒(méi)有電磁屏蔽效應(yīng)。

3、磁屏蔽。磁屏蔽主要用于低頻，因低頻時(shí)不是非常有效，故采用高導(dǎo)磁系數(shù)的材料進(jìn)行屏蔽，以便將磁力線限制在磁阻小的磁屏導(dǎo)體內(nèi)部，防止擴(kuò)散到外部去。

二、高速背板連接器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器內(nèi)部和交換機(jī)是高速背板連接器的主要應(yīng)用位置，大數(shù)據(jù)傳輸是其主要作用，信號(hào)會(huì)以高速背板截鏈器的互連為媒介，將信號(hào)由發(fā)射端向接收端傳輸，最終完成整個(gè)信號(hào)傳輸過(guò)程。在設(shè)計(jì)高速背板連接器的過(guò)程中，需要考慮的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分別為損耗、串?dāng)_、時(shí)域反射和時(shí)鐘偏移。XHDU 高速背板連接器選擇的研究對(duì)象，這種背板連接器的設(shè)計(jì)目標(biāo)為25Gb/s。該產(chǎn)品具有諸多方面的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下方面：第一，空間結(jié)構(gòu)小;第二，傳輸速度快;第三，信號(hào)完整性高。為使客戶(hù)需求得到滿(mǎn)足，需要經(jīng)過(guò)三次設(shè)計(jì)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，所采取的設(shè)計(jì)方式以公母配對(duì)設(shè)計(jì)為主，究其原因，主要是這種設(shè)計(jì)方式，可以為產(chǎn)品界面互相配合和分析信號(hào)完整性，創(chuàng)造有利的條件。與普通連接器相比，高速背板連接器采用wafer 錯(cuò)位疊加的設(shè)計(jì)方式，使產(chǎn)品拓展目標(biāo)達(dá)成。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)連接器來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，信號(hào)傳輸和接地時(shí)端子的作用。依據(jù)其作用的不同，可以將其分為傳輸端子和接地端子。信號(hào)端子的結(jié)構(gòu)以差分信號(hào)對(duì)為主，在信號(hào)傳輸中的應(yīng)用效果較為顯著。接地端子的作用為屏蔽電磁，同時(shí)，還能調(diào)節(jié)阻抗。導(dǎo)電膠是高速背板連接器結(jié)構(gòu)中的特殊材料，碳纖維的增加，賦予了設(shè)備非常強(qiáng)的電磁屏蔽能力。金屬屏蔽片的作用為保護(hù)和屏蔽電磁。而電容設(shè)計(jì)的增加，有利于產(chǎn)品整體性能的提升[4]。

1、高速背板連接器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高速背板連接器的組成部分包括接地針、信號(hào)針和殼體。殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于高速背板連接器整體設(shè)計(jì)而言至關(guān)重要，想要使wafer 在插頭殼體內(nèi)定位準(zhǔn)確性得到保證，通常會(huì)將小型扣位設(shè)置到wafer 的側(cè)面，同時(shí)將卡扣孔設(shè)置到插頭殼體處。通常情況下，殼體尺寸小于卡扣尺寸，但殼體由于具備塑性變形能力，因此，插頭殼體會(huì)在卡扣到位后回歸原位，并與wafer 相連。

2、高速背板連接器footprint設(shè)計(jì)。在高速背板連接器設(shè)計(jì)過(guò)程中，連接器的footprint 設(shè)計(jì)屬于首要步驟，究其原因，主要是損耗和串?dāng)_會(huì)受到產(chǎn)品footprint 布局的直接影響。此外，串?dāng)_影響還會(huì)被footprint 設(shè)計(jì)中的信號(hào)針和接地針結(jié)構(gòu)布局所影響。高速背板連接器，其footprint 信號(hào)針和接地針的結(jié)構(gòu)為交錯(cuò)布置，因此，接地針和信號(hào)針在寬度上存在差異，假設(shè)信號(hào)針和接地針之間的水平距離由Lx 表示，信號(hào)針與信號(hào)針之間的垂直距離由Ly 表示。

仿真結(jié)果表明，在Lx，Ly 距離值被改變后，所獲取的信號(hào)完整性結(jié)果各不相同。具體規(guī)律如下：第一，Lx、Ly 的距離值與高速背板連接器的高頻性能具有直接的關(guān)聯(lián)，簡(jiǎn)言之，就是Lx、Ly的距離值越大，高頻性能越好。但在連接器實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，Lx、Ly的距離值會(huì)受到空間的限制，尤其是新一代連接器，其體積逐漸縮小，單位面積內(nèi)的信號(hào)針數(shù)量越來(lái)越多，因此，在設(shè)計(jì)階段需要在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

綜上所述，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，國(guó)家和社會(huì)公眾對(duì)信息傳輸效率提出了更高的要求，并要求設(shè)備體積朝著小型化的方向發(fā)展，但在設(shè)備體積縮小后，信號(hào)與信號(hào)之間的距離會(huì)被縮短，串?dāng)_問(wèn)題逐漸嚴(yán)重，最終使信號(hào)完整度受損，無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求。因此，保證信號(hào)完整性成為了高速背板連接器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，關(guān)系到連接器的整體性能。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要以殼體設(shè)計(jì)、footprint 設(shè)計(jì)為著力點(diǎn)，對(duì)高速背板連接器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐鳴， 陳毓彬， 李東蘭. 高速背板連接器測(cè)試校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2020，38（05）：99-102.