摘 要：體積更小，性能更好，成本更低， 傳輸速度更快已經(jīng)成為未來(lái)高速背板連接器的專業(yè)術(shù)語(yǔ)。同樣，采用塑料屏蔽層和空氣屏蔽層也將成為其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：高速背板連接器;接口;傳輸速度;信號(hào)串?dāng)_
1 引言
高速背板連接器隨著市場(chǎng)需求的變化而不斷改進(jìn)推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)新接口的開發(fā)。從單端并行結(jié)構(gòu)到串行差分信號(hào)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變大大地改變了人們對(duì)背板連接器的前景展望， 使得幾個(gè)千兆比特的傳輸速度由幾年前還是不可想象變成了現(xiàn)實(shí)的可能性。從2010~ 2013年的市場(chǎng)不景氣中逐漸恢復(fù)的背板連接器工業(yè)已經(jīng)帶來(lái)了新的應(yīng)用需求，并刺激了一系列外延產(chǎn)品和新的接口系列的飛速發(fā)展。在某些情況下，連接器供應(yīng)商正在積極填補(bǔ)現(xiàn)有產(chǎn)品線的空白。這就使得用戶可以更加準(zhǔn)確地將其應(yīng)用需求與其選擇的接口性能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。在其他一些情況下，制造商正在推出適應(yīng)日益增大的市場(chǎng)需求的新型連接器。
與此同時(shí)，連接器供應(yīng)商正在提出一系列在未來(lái)幾年內(nèi)將會(huì)影響背板連接器市場(chǎng)需求的發(fā)展趨勢(shì)。首先，頻帶寬度將會(huì)逐漸增大。僅僅在幾年以前，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)把重點(diǎn)都集中在其傳輸速度達(dá)到25G bps (XAUI)這一目標(biāo)上， 可如今系統(tǒng)的傳輸速度設(shè)計(jì)要求已經(jīng)達(dá)到了56G bps~112G bps, 而且還必須具有一個(gè)可擴(kuò)展到224Gbps的預(yù)留空間。這種連接器無(wú)須更換新的背板連接器器件就可以使整個(gè)系統(tǒng)升級(jí)，這一能力對(duì)其用戶來(lái)說(shuō)非常具有誘惑力。雖然下一步究竟會(huì)發(fā)展哪里目前尚不明確，但是，那些取決于串行器/解串器(SERDES)信號(hào)的技術(shù)特征以及新的信號(hào)傳輸協(xié)議文件和PCB電路板材料的進(jìn)展似乎已經(jīng)表明，使用銅材互連器件后，其傳輸速度將來(lái)可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展到224G bps以上。
圖1 Z-PACK HM-Zd型高密度(HD)連接器(下圖)以及GbX標(biāo)準(zhǔn)背板連接器(上圖)，其特點(diǎn)是具有內(nèi)部金屬屏蔽層。
市場(chǎng)對(duì)體積更小、性能更好以及成本更低的終端產(chǎn)品的需求在一些重要的應(yīng)用領(lǐng)域影響著傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先，體積更小的連接器可以將接觸件集中在一個(gè)更為緊湊的中心線上，這樣就可能增大電路之間的信號(hào)串?dāng)_，在較高的頻率條件下會(huì)降低信號(hào)的完整性。較小的接觸件一般具有較低的電流額定值，這樣，一些諸如系統(tǒng)電源要求的真正問(wèn)題就會(huì)隨之不斷出現(xiàn)。在一個(gè)密集封裝的系統(tǒng)中，許多元件產(chǎn)生的過(guò)多熱量必須采取措施散發(fā)到箱子外面。所有的元件(包括連接器)在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意到要盡量減少對(duì)冷卻氣流的阻礙作用。目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)的這類產(chǎn)品包括由FCI公司(Etters,PA)提供的可以讓氣流順暢通過(guò)連接器的一種背板電源模塊，以及由Teradyne(Nashua，NH)推出的外形尺寸特別小并可以減少空氣潴留的Aptera連接器。
2 高速連接器發(fā)展現(xiàn)狀
隨著用戶對(duì)傳輸速度的要求越來(lái)越高，高速背板連接器供應(yīng)商不斷優(yōu)化其產(chǎn)品，調(diào)整的內(nèi)容主要包括采用柔性干涉連接電路板技術(shù)，使得電路板的孔可以做得更小，并用定制的塑膠來(lái)補(bǔ)償信號(hào)延遲，或者推薦在電路板擴(kuò)孔。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使高速連接器廠商能夠展示他們更高頻率的產(chǎn)品。高速連接器市場(chǎng)經(jīng)歷了新界面暴增時(shí)代，這些新界面高速背板連接器為迎接新一代應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)做好了充分準(zhǔn)備。
目前，高速背板連接器領(lǐng)域主要有4個(gè)廠商，分別是 Amphenol TCS、FCI、Molex和TE，它們均能供應(yīng)20Gbps的高速連接器。美國(guó)Molex是軍工背景企業(yè)，在軍工、航天航空和通信方面非常有名。AMP/TE做端子、膠殼起家的，如今是消費(fèi)類電子高速連接器的世界老大，而通信高速連接器市場(chǎng)美國(guó)安費(fèi)諾公司(Amphenol)占據(jù)龍頭老大的地位，F(xiàn)CI/BERG 高速連接器則占據(jù)第四位(2017年被美國(guó)安費(fèi)諾財(cái)團(tuán)收購(gòu))。
截至2018年，應(yīng)用于25G信號(hào)的主流背板高速連接器型號(hào)有Amphenol的ExaMAX、Xcede HD，TE的Whisper，Molex的Impel、Impel plus，這些高速連接器已經(jīng)在背板系統(tǒng)應(yīng)用得非常廣泛。即便之前量產(chǎn)的領(lǐng)域幾乎沒(méi)有要求這么高的傳輸速度，但這種高性能的高速連接器卻給了未來(lái)系統(tǒng)更新升級(jí)的空間，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者很有吸引力，高速背板高速連接器是新系統(tǒng)硬件的至關(guān)重要零件，需要兼容交叉互配，一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段被選上，很可能無(wú)法用別家的高速連接器替換，因?yàn)樵?0Gbps以上工作頻率，若高速連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，傳輸性能會(huì)大不一樣。
3 高速連接器的未來(lái)趨勢(shì)
隨著 IT 行業(yè)的快速發(fā)展，傳輸質(zhì)量、速度和應(yīng)用層面的多樣性引發(fā)了向更快傳輸速度發(fā)展的持續(xù)推動(dòng)力。為了提高信號(hào)傳輸速度，所有單個(gè)組件都必須能夠最大限度地減少信號(hào)衰減、失真和抗干擾性。因此，作為傳輸“橋梁”的高速連接器也需要升級(jí)換代，因?yàn)樗趥鬏斮|(zhì)量和速度方面的作用越來(lái)越大，如下圖2所示。
圖2 交換芯片演進(jìn)路線(速率升級(jí)/通道數(shù)升級(jí))
在56Gbps速率時(shí)代，為了追求更高的端口密度，連接器企業(yè)將進(jìn)一步開發(fā)出了QSFP-DD I/O模塊，實(shí)現(xiàn)了400G端口容量，將來(lái)會(huì)朝著支持800G端口容量的QSFP-DD連接器演進(jìn)�，F(xiàn)在，QSFP-DD連接器還只用在較為高端的服務(wù)器上，內(nèi)部存儲(chǔ)連接器以Mini-SAS、Mini-SAS HD為主，則將會(huì)更多地使用Gen Z、Slim SAS、MCIO等更高速的背板連接器。
AI時(shí)代下服務(wù)器對(duì)高性能高速連接器的傳輸速率和穩(wěn)定性提出了更高的要求，背板連接器要滿足在有限空間內(nèi)布局更多的傳輸線路以實(shí)現(xiàn)更快的傳輸速率、更高的可靠性等要求。更高的傳輸速率越高端服務(wù)器所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就越大，對(duì)高速連接器傳輸速率要求也更高。
金屬屏蔽層系統(tǒng)和空氣屏蔽層系統(tǒng)之間的優(yōu)劣辯論曾經(jīng)風(fēng)行一時(shí)。傳統(tǒng)的高速連接器已經(jīng)在信號(hào)線路之間使用金屬屏蔽層，以便建立一定的阻抗控制并減少信號(hào)之間的串?dāng)_作用。泰科公司推出的Z-PACK HM Zd、Teradyne 公司推出的GbX以及3M公司推出的MetPak HSHM 連接器均使用內(nèi)部金屬屏蔽層，參見圖1所示。而FCI公司的AirMax連接器采用了一種虛擬的屏蔽層來(lái)代替金屬屏蔽層，這就大大地刺激了市場(chǎng)對(duì)這一產(chǎn)品的需求。AirMax連接器的虛擬屏蔽推出一種替代方法，即將空氣介質(zhì)和階梯式、卡緣耦合接觸件有機(jī)地結(jié)合使用,這樣，既減少這一接口的重量也降低了其制造成本，參見圖3所示。
而另外一派則認(rèn)為，只有采用一個(gè)接地金屬屏蔽層才能在增大接口機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，提供適當(dāng)?shù)男盘?hào)串?dāng)_管理。當(dāng)保持一個(gè)牢固接口的同時(shí)，泰科公司正在推出一種新型的Z-PACK Max高速背板連接器，參見圖4所示。它采用一個(gè)塑料電介質(zhì)，沒(méi)有內(nèi)部屏蔽層，從而既可以保持其牢固性，也可以降低其相關(guān)的費(fèi)用成本。市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)、帶寬需求和成本壓力將成為最終解決這些問(wèn)題的決定因素。
圖3 AirMax虛擬屏蔽連接器將空氣電介質(zhì)與階梯式和邊緣連接接觸件結(jié)合在一起，這樣就無(wú)須使用金屬屏蔽層。
圖 4 高速Z-PACK Max背板連接器所使用的是塑料電介體，沒(méi)有采用內(nèi)部屏蔽層
3 端接技術(shù)
人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，從連接器過(guò)渡到PCB電路板觸腳表面是背板連接器發(fā)生信號(hào)扭曲的最大成因。主要高速接口如今大多采用與其相適應(yīng)的壓接插針端接技術(shù)。電鍍的通孔觸腳表面會(huì)產(chǎn)生一定的信號(hào)串?dāng)_， 而通孔底部沒(méi)有端接的凸臺(tái)會(huì)產(chǎn)生大量的電容，從而進(jìn)一步降低了信號(hào)的保真性。表面安裝連接器綜合了焊盤和小直徑之特點(diǎn)，所以，表面貼裝或通孔回流端接方式能提供更好的信號(hào)完整性，可以作為這些問(wèn)題的一個(gè)可行的解決方案。
ERNI ERmet zero XT連接器采用表面安裝的信號(hào)接觸件和通孔接地插針，參見圖4所示。FCI公司已經(jīng)宣布開發(fā)出一種AirMax VS 球-柵焊接連接器，而Teradyne公司也宣稱推出一種表面安裝端接的Ventura高密度連接器。泰科電子公司最近宣布推出一種Z-PACK HM-Zd 系列擴(kuò)展型高密度(HD)連接器，它既可以采用適宜的插針也可以采用表面安裝方式。其他連接器供應(yīng)商也可望為其高速接口開發(fā)出替代的連接器件，如壓縮接觸件，尤其是符合帶寬需求超過(guò)12G bps的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖4 ERNI Ermet zero XT連接器的特點(diǎn)是采用SMT端接適應(yīng)于10Gbps信號(hào)應(yīng)用
目前，大多數(shù)卡-框架系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的背板結(jié)構(gòu)，即由位于卡架后面的背板和從前面插入的子卡組成。還有一種替代選擇就是采用中間板的那種垂直連接或交叉連接設(shè)計(jì)，其子卡可以從兩邊插入。由于前后子卡之間一般彼此要形成一個(gè)90°的方位角，故信號(hào)可以直接從一個(gè)子卡傳輸?shù)搅硗庖粋�(gè)子卡，不會(huì)發(fā)生采用中間板在互連時(shí)產(chǎn)生的那種信號(hào)損失的現(xiàn)象。隨著信號(hào)傳輸路徑長(zhǎng)度的增大，高速信號(hào)的完整性往往會(huì)出現(xiàn)一定程度的降低。因此，電路設(shè)計(jì)人員必須把高速連接器作為整個(gè)傳輸線的一部分考慮進(jìn)去，包括阻抗、傳輸延遲、時(shí)滯和串?dāng)_等因素。并在某些傳輸系統(tǒng)中，要盡可能地縮短這些互連器件長(zhǎng)度才使之具有一種真正的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)， 中間板可以成為背板連接器的一個(gè)機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)，而中間板上僅有的銅線路圖則用于低速信號(hào)和電源分配。在某些條件下，中間板可以完全省略， 而用一個(gè)支撐矩形連接器的金屬框架來(lái)代替。垂直連接設(shè)計(jì)在某些應(yīng)用領(lǐng)域中已經(jīng)使用了好幾年，不過(guò)，它們?cè)谧涌ù嫒『蜔峁芾矸矫嬉部赡軙?huì)遇到一些真正的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，中間板結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)勢(shì)又極大地提高了一些主要供應(yīng)商開發(fā)新的連接器的興趣，新產(chǎn)品隨后也在不斷推出，其他供應(yīng)商也在密切關(guān)注開發(fā)這一市場(chǎng)潛力。
夾層連接器正在成為一種根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的建筑模塊為用戶提供程度更高的定制化的設(shè)計(jì)途徑。 PMC 夾層卡標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)被補(bǔ)充到新的先進(jìn)的夾層卡(AMC)規(guī)范要求中，以支持新一代的儀器設(shè)備。一些供應(yīng)商，包括泰科公司和Teradyne公司，已經(jīng)通過(guò)開發(fā)適用于夾層應(yīng)用領(lǐng)域的垂直插座來(lái)進(jìn)一步拓展其背板連接器產(chǎn)品系列。其他制造商， 如FCI公司提供MEG陣列和GIG陣列的夾層連接器，其特點(diǎn)是適用于高速性能的球柵陣列(BGA)安裝。而另一家供應(yīng)商Samtec公司則可以提供品種齊全可適用于幾個(gè)千兆比特傳輸速度的夾層連接器。
據(jù)報(bào)道，MicroSpeed連接器的縱向間距是1.0 mm，橫向間距則為1.5 mm(出于對(duì)阻抗方面的考量)。差分信號(hào)對(duì)可以采用水平排列或豎直排列。當(dāng)其排列成豎直型時(shí)，信號(hào)對(duì)的豎直構(gòu)型(從縱向到橫向)、信號(hào)和屏蔽端子對(duì)達(dá)到最佳的串?dāng)_性能。測(cè)量結(jié)果顯示，在100ps的上升時(shí)間內(nèi)，其串?dāng)_小于2%，反射率小于5%(板厚1.6mm)，眼圖非常理想(FR4板材，100mm長(zhǎng)傳輸線)。不僅如此，MicroSpeed連接器達(dá)到了100 % 的共面性(公差±0.05mm)。ERNI端子系統(tǒng)的公差使得在一塊板上排列多個(gè)夾層連接器成為可能，且不會(huì)帶來(lái)插拔或端子方面的問(wèn)題。
近年來(lái)，連接器的耐久性一直是人們談?wù)摰囊粋�(gè)重要話題。例如，在背板中，僅僅一個(gè)插針彎曲現(xiàn)象就可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障，這就需要花費(fèi)較為昂貴的維修費(fèi)用。隨著信號(hào)密度的進(jìn)一步加大， 插針變得越來(lái)越小就更容易出現(xiàn)器件損壞。為此，連接器供應(yīng)商采用更耐久的合金材料，成形的插針以及更好的預(yù)校準(zhǔn)硬件。泰科公司MultiGig RT連接器系列采用卡緣設(shè)計(jì)代替插針、插孔來(lái)解決這一問(wèn)題。Teradyne公司推出的新型Aptera連接器也采用一種兩件式邊緣連接器結(jié)構(gòu)，以增大可分離式接口的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，參見圖5所示。
圖5 新型Aptera連接器既能解決可分離式接口的耐久性問(wèn)題，又可節(jié)省電路板的空間。
每個(gè)配合線路的應(yīng)用成本(包括對(duì)PCB電路板設(shè)計(jì)和層數(shù)的影響)一直是今天人們選擇一切連接器所要考慮的關(guān)鍵因素。用戶既想獲得更好的性能，也想花費(fèi)更低的成本，所以高速背板連接器的市場(chǎng)價(jià)格將會(huì)繼續(xù)下滑。一些用戶將會(huì)繼續(xù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的2mm無(wú)屏蔽式連接器，作為一種商用連接器。那些只需要較少的高速線路且不需要嚴(yán)格的高密度要求的設(shè)計(jì)人員往往發(fā)現(xiàn)這些連接器至少在短期內(nèi)可以作為一個(gè)成本低廉的解決方案。分配更多的接地插針可以使得這些接口的傳輸速度大大超過(guò)他們?cè)仍O(shè)計(jì)的水平。
3 結(jié)語(yǔ)
高性能連接器系統(tǒng)的開發(fā)一直是一個(gè)耗費(fèi)、耗時(shí)的過(guò)程，它需要設(shè)計(jì)、材料、模擬試驗(yàn)、測(cè)量和制造等一系列現(xiàn)代化的資源。幾個(gè)千兆比特系統(tǒng)的性能描述已經(jīng)從原來(lái)簡(jiǎn)單的時(shí)間域反射法和單線串?dāng)_測(cè)量進(jìn)一步演變成需要采用S參數(shù)及眼圖分析來(lái)完成。大型原設(shè)備制造商(OEM)已經(jīng)習(xí)慣于采用定制接口，它要求采用一個(gè)限定的客戶基地進(jìn)行模具制造，以擴(kuò)展其產(chǎn)品系列。為此，許多主要連接器制造商要么以一個(gè)發(fā)起人的名義，要么將產(chǎn)品交與另一家公司生產(chǎn)(即所謂的產(chǎn)品第二來(lái)源)的方式參與研發(fā)。不過(guò)，其成本-效益比可能使一些供應(yīng)商重新考慮這一策略。每條配對(duì)線價(jià)格將會(huì)隨著現(xiàn)有的市場(chǎng)占有率的下降而繼續(xù)降低。其結(jié)果，這一專業(yè)化很強(qiáng)的市場(chǎng)份額可能就屬于那些擁有必要相關(guān)資源的供應(yīng)商。
隨著連接器工業(yè)領(lǐng)軍者繼續(xù)處理更大帶寬、更高密度和耐久性以及表面安裝端接和熱管理問(wèn)題，他們將得到有價(jià)值的成熟的專業(yè)技術(shù)。這些技術(shù)特性又可以應(yīng)用于其他類型的連接器中，并為整個(gè)產(chǎn)品系列贏得非常有價(jià)值的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。隨著商品接口不斷提高其系統(tǒng)的傳輸速度，開發(fā)新接口以支持更大帶寬的研發(fā)能力使得整個(gè)連接器工業(yè)分化成兩個(gè)不同層次的制造商，即具有高速背板連接器設(shè)計(jì)和產(chǎn)品供應(yīng)能力的高端制造商以及不具有這一研制能力的低端制造商。這將會(huì)最終加快這個(gè)本已四分五裂的連接器行業(yè)不同供應(yīng)商之間進(jìn)行一次整合，這也是早已在人們預(yù)料之中的發(fā)展趨勢(shì)。 |
