摘 要：體積更小，性能更好，成本更低， 傳輸速度更快已經(jīng)成為未來高速背板連接器的專業(yè)術(shù)語。同樣，采用塑料屏蔽層和空氣屏蔽層也將成為其未來發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：高速背板連接器;接口;傳輸速度;信號串?dāng)_
1 引言
高速背板連接器隨著市場需求的變化而不斷改進(jìn)推動了網(wǎng)絡(luò)新接口的開發(fā)。從單端并行結(jié)構(gòu)到串行差分信號傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變大大地改變了人們對背板連接器的前景展望， 使得幾個千兆比特的傳輸速度由幾年前還是不可想象變成了現(xiàn)實的可能性。從2010~ 2013年的市場不景氣中逐漸恢復(fù)的背板連接器工業(yè)已經(jīng)帶來了新的應(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地結(jié)合起來。在其他一些情況下，制造商正在推出適應(yīng)日益增大的市場需求的新型連接器。
與此同時，連接器供應(yīng)商正在提出一系列在未來幾年內(nèi)將會影響背板連接器市場需求的發(fā)展趨勢。首先，頻帶寬度將會逐漸增大。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)計要求已經(jīng)達(dá)到了56G bps~112G bps, 而且還必須具有一個可擴展到224Gbps的預(yù)留空間。這種連接器無須更換新的背板連接器器件就可以使整個系統(tǒng)升級，這一能力對其用戶來說非常具有誘惑力。雖然下一步究竟會發(fā)展哪里目前尚不明確，但是，那些取決于串行器/解串器(SERDES)信號的技術(shù)特征以及新的信號傳輸協(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，其傳輸速度將來可能會進(jìn)一步擴展到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)，其特點是具有內(nèi)部金屬屏蔽層。
市場對體積更小、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。首先，體積更小的連接器可以將接觸件集中在一個更為緊湊的中心線上，這樣就可能增大電路之間的信號串?dāng)_，在較高的頻率條件下會降低信號的完整性。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)電源要求的真正問題就會隨之不斷出現(xiàn)。在一個密集封裝的系統(tǒng)中，許多元件產(chǎn)生的過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)計時必須注意到要盡量減少對冷卻氣流的阻礙作用。目前，市場上出現(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
隨著用戶對傳輸速度的要求越來越高，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，并用定制的塑膠來補償信號延遲，或者推薦在電路板擴孔。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。高速連接器市場經(jīng)歷了新界面暴增時代，這些新界面高速背板連接器為迎接新一代應(yīng)用的競爭做好了充分準(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，如今是消費類電子高速連接器的世界老大，而通信高速連接器市場美國安費諾公司(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年被美國安費諾財團(tuán)收購)。
截至2018年，應(yīng)用于25G信號的主流背板高速連接器型號有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系統(tǒng)更新升級的空間，對系統(tǒng)設(shè)計者很有吸引力，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)計階段被選上，很可能無法用別家的高速連接器替換，因為在10Gbps以上工作頻率，若高速連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，傳輸性能會大不一樣。
3 高速連接器的未來趨勢
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)推動力。為了提高信號傳輸速度，所有單個組件都必須能夠最大限度地減少信號衰減、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換代，因為它在傳輸質(zhì)量和速度方面的作用越來越大，如下圖2所示。
圖2 交換芯片演進(jìn)路線(速率升級/通道數(shù)升級)
在56Gbps速率時代，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，實現(xiàn)了400G端口容量，將來會朝著支持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)部存儲連接器以Mini-SAS、Mini-SAS HD為主，則將會更多地使用Gen Z、Slim SAS、MCIO等更高速的背板連接器。
AI時代下服務(wù)器對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。傳統(tǒng)的高速連接器已經(jīng)在信號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代替金屬屏蔽層，這就大大地刺激了市場對這一產(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，只有采用一個接地金屬屏蔽層才能在增大接口機械強度的同時，提供適當(dāng)?shù)男盘柎當(dāng)_管理。當(dāng)保持一個牢固接口的同時，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。它采用一個塑料電介質(zhì)，沒有內(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)的費用成本。市場經(jīng)驗、帶寬需求和成本壓力將成為最終解決這些問題的決定因素。
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，沒有采用內(nèi)部屏蔽層
3 端接技術(shù)
人們已經(jīng)認(rèn)識到，從連接器過渡到PCB電路板觸腳表面是背板連接器發(fā)生信號扭曲的最大成因。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產(chǎn)生一定的信號串?dāng)_， 而通孔底部沒有端接的凸臺會產(chǎn)生大量的電容，從而進(jìn)一步降低了信號的保真性。表面安裝連接器綜合了焊盤和小直徑之特點，所以，表面貼裝或通孔回流端接方式能提供更好的信號完整性，可以作為這些問題的一個可行的解決方案。
ERNI ERmet zero XT連接器采用表面安裝的信號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12G bps的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖4 ERNI Ermet zero XT連接器的特點是采用SMT端接適應(yīng)于10Gbps信號應(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，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90°的方位角，故信號可以直接從一個子卡傳輸?shù)搅硗庖粋�子卡，不會發(fā)生采用中間板在互連時產(chǎn)生的那種信號損失的現(xiàn)象。隨著信號傳輸路徑長度的增大，高速信號的完整性往往會出現(xiàn)一定程度的降低。因此，電路設(shè)計人員必須把高速連接器作為整個傳輸線的一部分考慮進(jìn)去，包括阻抗、傳輸延遲、時滯和串?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度才使之具有一種真正的競爭優(yōu)勢。
通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計， 中間板可以成為背板連接器的一個機械支撐結(jié)構(gòu)，而中間板上僅有的銅線路圖則用于低速信號和電源分配。在某些條件下，中間板可以完全省略， 而用一個支撐矩形連接器的金屬框架來代替。垂直連接設(shè)計在某些應(yīng)用領(lǐng)域中已經(jīng)使用了好幾年，不過，它們在子卡存取和熱管理方面也可能會遇到一些真正的挑戰(zhàn)。近年來，中間板結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)勢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)計途徑。 PMC 夾層卡標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)被補充到新的先進(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)通過開發(fā)適用于夾層應(yīng)用領(lǐng)域的垂直插座來進(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千兆比特傳輸速度的夾層連接器。
據(jù)報道，MicroSpeed連接器的縱向間距是1.0 mm，橫向間距則為1.5 mm(出于對阻抗方面的考量)。差分信號對可以采用水平排列或豎直排列。當(dāng)其排列成豎直型時，信號對的豎直構(gòu)型(從縱向到橫向)、信號和屏蔽端子對達(dá)到最佳的串?dāng)_性能。測量結(jié)果顯示，在100ps的上升時間內(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夾層連接器成為可能，且不會帶來插拔或端子方面的問題。
近年來，連接器的耐久性一直是人們談?wù)摰囊粋�重要話題。例如，在背板中，僅僅一個插針彎曲現(xiàn)象就可能會導(dǎo)致一個系統(tǒng)發(fā)生故障，這就需要花費較為昂貴的維修費用。隨著信號密度的進(jìn)一步加大， 插針變得越來越小就更容易出現(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)計代替插針、插孔來解決這一問題。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題，又可節(jié)省電路板的空間。
每個配合線路的應(yīng)用成本(包括對PCB電路板設(shè)計和層數(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，也想花費更低的成本，所以高速背板連接器的市場價格將會繼續(xù)下滑。一些用戶將會繼續(xù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的2mm無屏蔽式連接器，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他們原先設(shè)計的水平。
3 結(jié)語
高性能連接器系統(tǒng)的開發(fā)一直是一個耗費、耗時的過程，它需要設(shè)計、材料、模擬試驗、測量和制造等一系列現(xiàn)代化的資源。幾個千兆比特系統(tǒng)的性能描述已經(jīng)從原來簡單的時間域反射法和單線串?dāng)_測量進(jìn)一步演變成需要采用S參數(shù)及眼圖分析來完成。大型原設(shè)備制造商(OEM)已經(jīng)習(xí)慣于采用定制接口，它要求采用一個限定的客戶基地進(jìn)行模具制造，以擴展其產(chǎn)品系列。為此，許多主要連接器制造商要么以一個發(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)品第二來源)的方式參與研發(fā)。不過，其成本-效益比可能使一些供應(yīng)商重新考慮這一策略。每條配對線價格將會隨著現(xiàn)有的市場占有率的下降而繼續(xù)降低。其結(jié)果，這一專業(yè)化很強的市場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題，他們將得到有價值的成熟的專業(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，并為整個產(chǎn)品系列贏得非常有價值的競爭優(yōu)勢。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)能力使得整個連接器工業(yè)分化成兩個不同層次的制造商，即具有高速背板連接器設(shè)計和產(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。這將會最終加快這個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。 |
