56G高速背板連接器結(jié)構(gòu)設計與分析

曹永泉，王 勇，陳群強，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、數(shù)據(jù)處理量的快速增長，客戶對高速連接器品種需求和性能提升需求越來越旺盛，特別通信設備領域(如骨干和城域網(wǎng)絡傳輸設備、高端核心路由器等)及IT行業(yè)(如服務器、存儲、數(shù)據(jù)中心、高性能計算機等)對高速背板連接器性能要求最高。

目前，市場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到56Gbps(NRZ)，甚至達到112Gbps(PAM4)，主要是為滿足刀片式服務器內(nèi)部主板與背板之間的高速數(shù)字信號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)乎整個系統(tǒng)能否正常工作，在整個通信鏈路中的可靠性傳輸至關(guān)重要[1-3]。

2 國外產(chǎn)品情況

國外在高速背板連接器領域一直處于領先地位，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TE公司的STRADA Whisper系列，美國Molex公司的Impel系列，美國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 國外56G高速背板連接器圖片

各系列產(chǎn)品均具有其獨特的優(yōu)點，彼此之間不具有兼容性，其共同的特點為：1)采用魚眼壓配形式實現(xiàn)連接器與PCB安裝；2)差分對周圍至少270°屏蔽+互補屏蔽結(jié)構(gòu)；3)接觸件多點接觸；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)印制板上差分對周圍多點接“地”；6)差分對內(nèi)兩條走線電長度在3ps以內(nèi)。

3 設計要點分析

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，我們需要重點考慮連接器設計、工藝設計和印制板開孔設計三個方面。

3.1 連接器設計

連接器設計重點考慮接觸方式設計、屏蔽設計、阻抗設計、傳輸延時設計和插入損耗設計。

(1)接觸件方式設計

(a)接觸件

連接器對接接觸區(qū)是阻抗失配較為嚴重的區(qū)域，通常為防止接觸件插合時“兌針”和滿足一定接觸長度的要求，彈性接觸件頭部一般伸出一小段作為接觸件插合的導向，剛性插針端會伸出較長一段(>1.5mm)，如圖2(a)所示，正是這兩段長度易造成高頻諧振，稱之為“短樁(stub)效應”，其對插損指標影響很大，如圖2(b)所示，連接器在24GHz以后出現(xiàn)了明顯的諧振點。

因此，為了降低接觸區(qū)短樁影響，國外產(chǎn)品在接觸件設計上都采用前后多點同時接觸的設計方式，如3所示。

(a)Impel系列

(2)屏蔽設計

串擾對于高速信號傳輸影響很大，通常連接器上串擾來源于對接區(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)設計非常關(guān)鍵，連接器需要采用金屬片全屏蔽或180°屏蔽方式，降低差分對之間的串擾，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，國外速率≥40Gbps的產(chǎn)品屏蔽方式。

另外，相鄰之間差分對交錯排列也是降低串擾的有效方法，這主要是差分對之間的電磁場位置發(fā)生改變，受到干擾的能量減少所致。如圖5所示為相鄰差分對錯開一定距離Δ示意圖，Δ的優(yōu)化設計對串擾性能提升改善明顯。

(a)Whisper Stradal (b) ExaMax

圖5 差分對引腳的錯位排列

(3)阻抗設計

連接器的阻抗匹配非常重要，它包括連接器自身的阻抗設計和連接器與PCB板的匹配阻抗設計。

通常我們會用理論公式進行所有連續(xù)截面阻抗計算，初步設定好整體結(jié)構(gòu)，然后用HFSS或CST等電磁場仿真軟件進行仿真，找出所有不連續(xù)部分，并對其進行優(yōu)化，使其阻抗?jié)M足目標阻抗+/- ΔR。如圖6所示是背板連接器仿真模型，包括一個直式插座和一個直角插頭，需要重點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)傳輸時延設計

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

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

圖7 時延補償

(5)插入損耗設計

連接器的插入損耗損耗一般包括導體損耗和介質(zhì)損耗，當介質(zhì)為空氣時，損耗最小，因此整個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)。另外導體的表面粗糙度需要降低，包括電鍍后的表面質(zhì)量，因為隨著傳輸速率的提高，導體的屈服效應越加明顯。最后整個傳輸通道的阻抗一致性控制和減小各個部位的短樁效應(如接觸區(qū)、連接器與PCB連接區(qū))也需重點考慮。

3.2 工藝設計

產(chǎn)品的工藝設計也要重點考慮，由于產(chǎn)品設計時，通常會偏向優(yōu)化傳輸性能方面考慮，但實際生產(chǎn)時，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做較大的改動，因此每次改動都要進行相應的傳輸性能仿真。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點前后也需金屬加寬，可以降低容性儲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 印制板設計

高速PCB印制板的設計主要包括板材選擇、開孔設計、反焊盤設計、背鉆設計等。

(1)材料選擇

由于PCB材料的DF(Disspation Factor)參數(shù)會影響插入損耗，因此高速傳輸會選用較低的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)開孔設計

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

(3)反焊盤設計

如圖9所示，反焊盤設計對電性能影響很大，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，較長的走線在反焊盤下面也會出現(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對的串擾，改善了信號走線與“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isolation，而且減少高速信號反射。

圖9 反焊盤示意圖

(4)背鉆設計

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，但是會在信號線下面留出一個較長的容性“短樁”。較長的過孔短樁或者信號針短樁都會降低信號傳輸性能。如圖10(a)、(b)，同樣深度的過孔，印制板走線位置關(guān)系到短樁長度，進而影響傳輸線帶寬。為了獲得較短的過孔短樁影響，在PCB加工時會把多余的過孔去除，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)品驗證

根據(jù)56G高速背板連接器設計、工藝設計和PCB板設計等主要因素的分析，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接觸方式，如圖12(a)，有效地減少接觸區(qū)的“短樁”效應；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)，并進行了錯排設計，進一步提升串擾性能，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

對于彎式差分對不等長問題，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)整了差分對周圍介電常數(shù)的方法，完成差分對兩條線路電氣等長設計。并對每一路差分對進行了等長設計和仿真，每個差分對的Scd21均≤-20dB。

產(chǎn)品最終測試結(jié)果如表1所示，指標與國外產(chǎn)品指標相當，滿足56Gbps的傳輸要求。

表1 產(chǎn)品測試結(jié)果

5 總結(jié)

本文介紹了目前國外傳輸速率56Gbps的高速背板連接器基本情況，然后對56G高速背板連接器設計方面需要考慮的關(guān)鍵點進行了分析，最后根據(jù)設計要點進行了產(chǎn)品實物開發(fā)，測試結(jié)果滿足指標要求，證明設計的合理性，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。