高速連接器插入損耗的影響因素

劉 明，代秀云，何 洪

（四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621000）

1 引言

在高速連接器傳輸鏈路中，以最常用的傳輸線為例，插入損耗（InsertionLoss）通常定義為輸出端口所接受到的功率PI與輸入端口的源功率Pi之比，常用dB表示。插入損耗通常是由于電路的失配引起，但電路設(shè)計(jì)時要達(dá)到理想狀態(tài)下的匹配幾乎是不可能的。在實(shí)際的電路中有很多方面的因素造成電路產(chǎn)生損耗，如電路設(shè)計(jì)及匹配，使用電路材料的損耗和加工等。對于微帶傳輸線電路，插入損耗主要包括介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、輻射損耗等幾個部分，是各種損耗成分的總和。其中，介質(zhì)損耗是指電場通過介質(zhì)時，由于介質(zhì)分子交替極化和晶格不斷碰撞而產(chǎn)生的熱損耗；導(dǎo)體損耗是由于導(dǎo)體不理想，存在損耗電阻，在電流通過時發(fā)熱而引起的損耗；其主要影響因素是導(dǎo)體的電阻、電流分布（趨膚效應(yīng)）和導(dǎo)體的表面粗糙度；輻射損耗是微帶線場結(jié)構(gòu)的半開放性所導(dǎo)致的電磁波輻射損耗。而在高速連接器結(jié)構(gòu)中，對插入損耗影響比較大的因素包括傳輸線阻抗一致性、傳輸線表面鍍層、傳輸線表面粗糙度等環(huán)節(jié)，降低這些因素對信號插入損耗的影響，對提高傳輸鏈路插入損耗有明顯效果。

2 特性阻抗一致性對插入損耗的影響

特性阻抗的定義為均勻傳輸線上各點(diǎn)的電壓與電流的比值，它是解決信號完整性問題的核心。任何的阻抗突變都會引起信號的反射和失真，這會導(dǎo)致信號質(zhì)量出現(xiàn)問題。高速連接器一般是彎母、直公配插使用，完成“連通”功能，傳輸差分信號的金屬走線通過高分子材料注塑局部固定，屏蔽件、尾卡等零件通過熱鉚、過盈等方式組裝成彎母或者直公，所以差分信號在連接器結(jié)構(gòu)中的傳輸介質(zhì)有空氣，也有高分子材料；同時，高速連接器的彎母和直公對插位置為保證產(chǎn)品使用壽命，會設(shè)計(jì)彈性機(jī)構(gòu)；高速連接器的這些結(jié)構(gòu)特征決定了高速信號傳輸在連接器這一段傳輸路徑必定存在阻抗變化，產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)時，仿真模型設(shè)計(jì)尺寸通過信號完整性仿真盡量保證走線段阻抗波動不超過2歐姆，可由于零件加工公差、組裝公差等會使設(shè)計(jì)尺寸會在公差范圍變化，導(dǎo)致產(chǎn)品實(shí)際測試值和仿真設(shè)計(jì)值往往會出現(xiàn)偏差；而特性阻抗在某些特定頻點(diǎn)的小幅變化（見圖1），則會導(dǎo)致插入損耗出現(xiàn)紅色箭頭指向的諧振點(diǎn)（見圖2），這些在高速背板連接器觀測頻段（20GHz）出現(xiàn)的諧振點(diǎn)是不可接受的。

圖1 實(shí)測阻抗

圖2 實(shí)測插入損耗

對該高速連接器走線段阻抗優(yōu)化設(shè)計(jì)，走線段特性阻抗實(shí)測測試值變化范圍控制在3歐姆以內(nèi)，插入損耗得到明顯改善，優(yōu)化后的特性阻抗和插入損耗實(shí)測曲線見圖3、圖4，圖4插入損耗測試圖形可看出觀測頻段（20GHz）的諧振點(diǎn)均已消除；良好的阻抗一致性對控制插入損耗效果顯著。

圖3 改善后實(shí)測阻抗

圖4 改善后實(shí)測插入損耗

3 傳輸線表面鍍層對插入損耗的影響

3.1 趨膚效應(yīng)

當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場時，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，也就是說電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)體內(nèi)部實(shí)際上電流較小。結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增加，使它的損耗功率也增加，這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。從電磁場的角度理解趨膚效應(yīng)頗費(fèi)周折，而從阻抗的角度分析，會讓你豁然開朗；趨膚效應(yīng)可以認(rèn)為是電流尋求最低阻抗路徑的趨勢造成的。在高頻時，路徑阻抗主要由回路電感決定，為尋找回路電感最低路徑，電流在導(dǎo)線上的分布會盡量伸展開以減少導(dǎo)線自感。同時，返回路徑中的反向電流會盡量靠近信號路徑表面以減少回路電感。趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電流分布于導(dǎo)體表面的厚度稱為趨膚深度δ（skindepth），計(jì)算公式如下：

不同金屬材料具有不同的磁導(dǎo)率、電阻率和電導(dǎo)率，所以不同金屬材料的趨膚深度并不相同，數(shù)值見圖5。

圖5 不同金屬的趨膚深度δ

圖6對比可知，針對同一金屬類型表層，隨著頻率升高，其趨膚深度也會發(fā)生變化，整體趨勢是隨著頻率升高，其趨膚深度逐漸減小。

圖6 銅在20℃時不同頻率下的趨膚深度表

3.2 不同傳輸線鍍層對插入損耗的影響

針對高速連接器，為提高其在應(yīng)用場景的耐環(huán)境性，需要在銅合金沖壓加工的金屬傳輸線外表面增加電鍍層，電鍍層多選用鎳、錫或者金等耐腐蝕性較強(qiáng)的金屬，“魚眼”壓接區(qū)域金屬表面一般電鍍錫，簧片和插針接觸區(qū)域金屬表面則電鍍金，其余走線區(qū)域考慮到產(chǎn)品成本金屬表面一般電鍍鎳。當(dāng)高速連接器運(yùn)用在傳輸速率到20Gbps以上的傳輸環(huán)境中時，發(fā)現(xiàn)特性阻抗會出現(xiàn)奇怪的“上漂”現(xiàn)象（見圖7），而插入損耗在低頻段會出現(xiàn)明顯的“魚肚子”形狀掉落（見圖8），紅色曲線為表面電鍍鎳走線測試曲線，藍(lán)色曲線為表面不電鍍走線的測試曲線。

圖7 阻抗“上漂”現(xiàn)象

圖8 插入損耗“魚肚子”掉落

對比圖5金屬的趨膚深度可發(fā)現(xiàn)，金屬鎳的趨膚深度為0.26um＠3GHz，金屬銅的趨膚深度則為1.2um＠3GHz。對比未電鍍的信號走線，即為走線表面為銅，信號走線電鍍金屬鎳的后趨膚深度明顯變小，導(dǎo)致傳輸路徑阻抗升高，信號的插入損耗也隨之加大。按照該理論建立走線仿真模型，不同金屬鍍層特性阻抗和插入損耗對比見圖9。

圖9 不同鍍層阻抗和插入損耗仿真對比

仿真結(jié)果對比來看，走線鍍錫仿真結(jié)果特性阻抗不會出現(xiàn)“漂高”現(xiàn)象，同時，插入損耗和走線不電鍍比較接近，但金屬錫材料本身比較軟，在高速連接器零件生產(chǎn)過程中，容易出現(xiàn)金屬絲、金屬屑，導(dǎo)致連接器出現(xiàn)性能不良，對零件生產(chǎn)制程要求較高。而走線鍍鎳的仿真結(jié)果中特性阻抗則出現(xiàn)明顯的“漂高”現(xiàn)象，并且不會隨鍍鎳層的厚度增加消失。

針對趨膚效應(yīng)帶來的插入損耗惡化，在制程金屬絲、金屬屑可控的前提下可考慮選用趨膚深度較大的金屬，例如電鍍錫。當(dāng)然，除了常規(guī)的鍍層金屬，還可以考慮一些新鍍層的使用，比如電鍍銦、電鍍石墨烯等。

4 傳輸線表面粗糙度對粗糙度的影響

高速連接器用來傳輸差分信號的金屬走線一般用銅帶沖壓加工，后續(xù)往往還需要對零件進(jìn)行電鍍、塑封工序。用來生產(chǎn)零件的銅帶一般表面粗糙度狀況良好，零件生產(chǎn)過程由于電鍍夾具掛插、塑封模具擠壓等因素影響，會導(dǎo)致粗糙度惡化，對金屬走線裸材和電鍍后的零件進(jìn)行粗糙度測試具體數(shù)值見下表。

圖10 測試區(qū)域示例

為確認(rèn)粗糙度對差分信號傳輸插入損耗指標(biāo)的影響，建立仿真三維模型，走線長度20mm。

圖11 不同狀態(tài)金屬材料粗糙度測試值

圖12 粗糙度仿真對比仿真模型

仿真模型設(shè)置粗糙度分別為0um、0.15um和1.5um，仿真結(jié)果見圖13，在28Gbps，三種狀態(tài)插入損耗差異僅為0.06db，高速連接器段走線的表面粗糙度導(dǎo)致的損耗針對整個鏈路的損耗要求來說，影響非常小。

圖13 粗糙度仿真對比仿真結(jié)果

但針對高速連接器使用時壓接的PCB板來說，銅箔的表面粗糙度影響則會有所不同。通常PCB基材加工過程中，為提高銅箔粘結(jié)后的穩(wěn)固性，銅箔的表面會進(jìn)行糙化處理。大多數(shù)的PCB基材都會壓合幾種形式的銅箔導(dǎo)體，包括標(biāo)準(zhǔn)電解銅、反轉(zhuǎn)銅以及壓延銅，不同的銅箔具有不一樣的表面粗糙度，常用銅箔的粗糙度值見圖14。

圖14 不同類型銅箔粗糙度值

圖15 兩種銅箔插入損耗對比

不同銅箔表面粗糙度會產(chǎn)生不同的寄生電感，導(dǎo)致銅箔表面阻抗發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同的導(dǎo)體損耗。一般來說，當(dāng)電路的工作頻率對應(yīng)的趨膚深度小于或者等于銅箔的表面粗糙度時，表面粗糙度的影響將會變得非常顯著。

在頻率＜1GHz時，銅的趨膚深度2.09um，大于標(biāo)準(zhǔn)電解銅粗糙度1.6um和壓延銅0.3um，兩種銅箔的插入損耗并不明顯，隨著頻率逐漸升高，此時標(biāo)準(zhǔn)電解銅和壓延銅的損耗表現(xiàn)出顯著的差異。這是由于隨著頻率升高，銅的趨膚深度呈現(xiàn)減小的趨勢，標(biāo)準(zhǔn)電解銅的趨膚深度很快開始小于材料的表面粗糙度，導(dǎo)致插入損耗急劇惡化。