ASM連接器設(shè)計(jì)簡介

陳宏基

(立訊技術(shù)有限公司，廣東省東莞市，523808)

1 引言

萬物互聯(lián)的時代，數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)迭代過程可見一斑，如表格1。現(xiàn)階段，PCIe5.0被主流設(shè)備及相關(guān)器件設(shè)計(jì)所采用，但是為滿足應(yīng)用場景更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的傳輸延遲、更低的功耗，業(yè)界已經(jīng)期待PCIe6.0的推出。

表1 PCIe 標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化

應(yīng)用技術(shù)迭代，每一代設(shè)備的更新會推出新的連接器，如果各個設(shè)備制造商各自自定義接口界面，這會導(dǎo)致連接器接口一致性及相互兼容性差，造成產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)備應(yīng)用維護(hù)資源的浪費(fèi)。因此，現(xiàn)有高速連接器的通用標(biāo)準(zhǔn)都有專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會定期更新，各個連接器制造商開發(fā)一般都遵循標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，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(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)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(chǎn)品自身設(shè)計(jì)、使用材料和制造工藝上下功夫外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面同樣也在做技術(shù)升級。首先，采用支持更高效的數(shù)字調(diào)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(tǒng)的PCB線路傳輸，進(jìn)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?shù)娜萘俊＠?，在同樣的調(diào)制模式下，四通道的SFP DD系統(tǒng)比兩通道的SFP系統(tǒng)帶寬多一倍；八通道的QSFP DD系統(tǒng)要比四通道的QSFP系統(tǒng)支持的帶寬翻倍。

1.3 兼容性及小型化

現(xiàn)有技術(shù)迭代升級的速度越來越快，在同一傳輸互聯(lián)系統(tǒng)中新一代設(shè)備與在網(wǎng)設(shè)備共存成為常態(tài)，因此新的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品，需要充分考慮與原有標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品的兼容性，從而充分利用設(shè)備、零組件供應(yīng)商的原有投資，達(dá)到新方案的經(jīng)濟(jì)效益最大化。此外，減小產(chǎn)品外形尺寸，提高設(shè)備內(nèi)部空間的利用率，一直是設(shè)備對配套連接器的持續(xù)需求。

2 設(shè)計(jì)需求分析

2.1 市場現(xiàn)有同類產(chǎn)品

目前市面上與ASM類似的產(chǎn)品主要有兩大類：GenZ、SFF 1016規(guī)范中的產(chǎn)品，這兩類產(chǎn)品都支持Cable與PCB的互聯(lián)及PCB與PCB的互聯(lián)應(yīng)用場景。GenZ 及SFF 1016中規(guī)定的產(chǎn)品是完整的系列產(chǎn)品，產(chǎn)品數(shù)量較多，現(xiàn)以類似的其中一個產(chǎn)品為代表做對比說明，同系列其它產(chǎn)品外形尺寸可查閱對應(yīng)的通用規(guī)范。

圖1 GenZ 2C VT產(chǎn)品外形示意圖

圖2 SFF 1016 74pin VT產(chǎn)品外形示意圖

通過表2，分析對比兩類產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)尺寸及各自性能指標(biāo)，同時結(jié)合服務(wù)器內(nèi)部有限的PCB空間，可以得出ASM產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以突破的幾點(diǎn)：

表2 GenZ 2C VT 與SFF 1016 74pin對比

1.產(chǎn)品外形尺寸需要進(jìn)一步減少，節(jié)省服務(wù)器內(nèi)部及PCB板的器件布板空間。

2.這兩類連接器的PCB布局,關(guān)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(shè)備制造商的PCB如果按照其中一種連接器PCB布局規(guī)格設(shè)計(jì)，設(shè)備商想切換另一款新連接器，PCB必須重新設(shè)計(jì)制造。因此，新界面連接器至少能兼容一種產(chǎn)品的PCB布局。

3.產(chǎn)品性能上需要滿足PCIe 5.0的需求，實(shí)際應(yīng)用上需要具備防止斜插的防呆能力。

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 確定整體外形尺寸

連接器產(chǎn)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(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及信號完整性性能要求。

1.寬度方向尺寸縮小。在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，減少主體塑膠housing兩側(cè)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(jié)構(gòu)。因此相比較GenZ塑膠殼體，housing兩側(cè)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(yōu)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(chǎn)品高頻信號傳輸?shù)目煽啃?，相比GenZ設(shè)計(jì)，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(chǎn)品剖面示意圖

圖4 ASM 產(chǎn)品剖面示意圖

經(jīng)過結(jié)構(gòu)的調(diào)整及對應(yīng)的力學(xué)、SI分析，ASM外形尺寸確定為25.8x7.49x6.15mm，相比相同pin數(shù)的SFF 1016整體外形縮小約20%。

圖5 ASM 產(chǎn)品外形尺寸示意圖

3.2 應(yīng)用性能優(yōu)化——防止斜插結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用過程中，人員安裝操作存在一定的隨機(jī)性，產(chǎn)品在X方向、Y方向存在一定的偏位及旋轉(zhuǎn)，插頭與插座沒有對正，從而導(dǎo)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(wù)器內(nèi)部高速連接器在多個系統(tǒng)設(shè)備廠發(fā)生失效，示意圖6-圖8。這種失效導(dǎo)致母端端子損壞，連接器無法使用。發(fā)生問題的主要原因是：產(chǎn)品缺少相應(yīng)的防斜插防呆結(jié)構(gòu)。

圖示6 產(chǎn)品傾斜裝配 圖示7 內(nèi)部示意圖 圖示8 局部放大圖

ASM系列連接器在充分分析應(yīng)用實(shí)際的基礎(chǔ)上，在有限的空間中設(shè)計(jì)類似L型的結(jié)構(gòu)，可以有效的防止產(chǎn)品傾斜插入，即在傾斜插入時，L型結(jié)構(gòu)能起到雙向防呆及導(dǎo)向的作用。

L型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要注意強(qiáng)度及導(dǎo)向能力。L型強(qiáng)度取決于塑膠材料性能及結(jié)構(gòu)尺寸大小。導(dǎo)向能力取決于L型的倒角及配合Cable端凸臺預(yù)導(dǎo)向長度。在設(shè)計(jì)繪圖過程中，預(yù)先做模型裝配模擬，避免結(jié)構(gòu)尺寸裝配"死點(diǎn)"的發(fā)生,確保產(chǎn)品能順利導(dǎo)向裝配。

L型結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(zhuǎn)示意圖

圖13 Y方向偏位、旋轉(zhuǎn)示意圖

L形結(jié)構(gòu)導(dǎo)向防呆模擬:

圖14 導(dǎo)向示意圖

3.3 接觸端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真

接觸端子是連接器的核心部件，端子設(shè)計(jì)涉及材料、結(jié)構(gòu)、電信號方面。根據(jù)接觸形式及尺寸要求，初步繪制端子模型，同步開展力學(xué)仿真及SI信號仿真，通過優(yōu)化端子結(jié)構(gòu)及塑膠結(jié)構(gòu)，確定最終的設(shè)計(jì)方案。

圖15 端子應(yīng)力仿真

從產(chǎn)品的SI仿真結(jié)果看，產(chǎn)品設(shè)計(jì)符合PCIe 5.0規(guī)格要求。

圖16 SI仿真結(jié)果

3.4 兼容性設(shè)計(jì)

1.配合界面與其它類別產(chǎn)品是否具有互配性

目前市面上不同連接器協(xié)會負(fù)責(zé)的業(yè)界規(guī)范中定義的產(chǎn)品都有各自獨(dú)特的配合結(jié)構(gòu)特征，因此，不同的產(chǎn)品只能在性能要求上兼容類似的產(chǎn)品，相互之間是無法交叉互配，ASM產(chǎn)品也不例外。

2.PCB的layout是否能兼容其它產(chǎn)品的layout

與ASM類似的產(chǎn)品是GenZ 及SFF 1016規(guī)范中的產(chǎn)品。GenZ系列產(chǎn)品兩側(cè)帶有焊接片，ASM及SFF 1016產(chǎn)品取消了焊接片的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)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(chǎn)品底部焊接面示意圖

ASM從設(shè)計(jì)上考慮兼容SFF 1016產(chǎn)品layout，尺寸定義如下:

現(xiàn)有SFF 1016 PCB layout尺寸定義如下：

圖19 SFF-1016 PCB layout

從尺寸規(guī)格可以看出，ASM的PCB layout兼容SFF 1016的PCB layout，即系統(tǒng)廠商如果已經(jīng)使用SFF 1016的產(chǎn)品，在PCB layout不需要做調(diào)整的情況下，可以使用同類型的ASM產(chǎn)品，這增加了產(chǎn)品的兼容性。

綜上所述主要設(shè)計(jì)涉及點(diǎn)，ASM成品設(shè)計(jì)尺寸定義如下：

圖20 ASM 74pin VT尺寸示意圖

4 產(chǎn)品性能測試結(jié)果

產(chǎn)品已經(jīng)通過機(jī)械、電氣、環(huán)境的可靠性測試，同時，SI性能實(shí)際測試結(jié)果滿足PCIe 5.0要求，目前已在市場上逐步推廣使用。

5 結(jié)論

新自主研發(fā)的ASM連接器及對應(yīng)的內(nèi)部電纜為互連系統(tǒng)提供了一種解決方案，可應(yīng)對數(shù)據(jù)速率提高所帶來的挑戰(zhàn)，提供良好的信號完整性，同時還節(jié)省空間并降低設(shè)計(jì)成本。綜觀ASM產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，以下兩點(diǎn)供同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)參考：

1.產(chǎn)品開發(fā)需要充分結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，充分了解已有產(chǎn)品的痛點(diǎn)，并轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的需求輸入。如：產(chǎn)品的小型化、兼容性、應(yīng)用的可靠性，確保開發(fā)的產(chǎn)品更具有實(shí)際的市場應(yīng)用價值，增加產(chǎn)品的市場技術(shù)競爭力。

2.高速連接器的設(shè)計(jì)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與信號性能不斷磨合優(yōu)化的過程，設(shè)計(jì)過程需要利用仿真工具，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)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(chǎn)品因設(shè)計(jì)缺陷而做結(jié)構(gòu)性修改模具，真正實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)方面控制費(fèi)用投入，增加產(chǎn)品的市場成本競爭力。