陳松 劉向陽

（成都宏明電子股份有限公司 四川省成都市 610100）

1 引言

在科學技術(shù)高速發(fā)展的背景下，國家和大眾對信息通訊傳輸速度和設(shè)備體積提出了更高的要求，在這種趨勢下，信號與信號之間的距離逐漸縮短，但信號間相互耦合會導致嚴重的串擾問題，信號完整性也會因此而受到影響。如何保證信號完整性已經(jīng)成為背板連接器設(shè)計的核心，與其性能存在密切的關(guān)聯(lián)。因此，對此項課題進行研究，具有十分重要的意義。

2 高速背板連接器介紹

存儲器內(nèi)部和交換機是高速背板連接器的主要應(yīng)用位置，大數(shù)據(jù)傳輸是其主要作用，信號會以高速背板截鏈器的互連為媒介，將信號由發(fā)射端向接收端傳輸，最終完成整個信號傳輸過程。

在設(shè)計高速背板連接器的過程中，需要考慮的設(shè)計要點分別為損耗、串擾、時域反射和時鐘偏移。在上述幾大設(shè)計要點中，串擾問題的解決最為關(guān)鍵[1]。

XHDU 高速背板連接器是本文所選擇的研究對象，這種背板連接器的設(shè)計目標為25Gb/s。面向的企業(yè)包括華為和中興，在4G 網(wǎng)絡(luò)高速信號傳輸領(lǐng)域中的應(yīng)用較為廣泛。該產(chǎn)品具有諸多方面的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下方面：第一，空間結(jié)構(gòu)小；第二，傳輸速度快；第三，信號完整性高。為使客戶需求得到滿足，需要經(jīng)過三次設(shè)計才能達到設(shè)計要求。在設(shè)計過程中，所采取的設(shè)計方式以公母配對設(shè)計為主，究其原因，主要是這種設(shè)計方式，可以為產(chǎn)品界面互相配合和分析信號完整性，創(chuàng)造有利的條件。與普通連接器相比，高速背板連接器采用wafer 錯位疊加的設(shè)計方式，使產(chǎn)品拓展目標達成。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計對整個連接器來說至關(guān)重要。在這個結(jié)構(gòu)中，信號傳輸和接地時端子的作用。依據(jù)其作用的不同，可以將其分為傳輸端子和接地端子。信號端子的結(jié)構(gòu)以差分信號對為主，在信號傳輸中的應(yīng)用效果較為顯著。接地端子的作用為屏蔽電磁，同時，還能調(diào)節(jié)阻抗。導電膠是高速背板連接器結(jié)構(gòu)中的特殊材料，碳纖維的增加，賦予了設(shè)備非常強的電磁屏蔽能力。金屬屏蔽片的作用為保護和屏蔽電磁。而電容設(shè)計的增加，有利于產(chǎn)品整體性能的提升[2]。

3 高速背板連接器的優(yōu)化設(shè)計

3.1 高速背板連接器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計

高速背板連接器的組成部分包括接地針、信號針和殼體。三者之間的配合方式均以過盈配合為主，簡言之，就是插針與殼體相連接。殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計對于高速背板連接器整體設(shè)計而言至關(guān)重要，想要使wafer 在插頭殼體內(nèi)定位準確性得到保證，通常會將小型扣位設(shè)置到wafer的側(cè)面，同時將卡扣孔設(shè)置到插頭殼體處。通常情況下，殼體尺寸小于卡扣尺寸，但殼體由于具備塑性變形能力，因此，插頭殼體會在卡扣到位后回歸原位，并與wafer 相連。在卡扣孔的扣位設(shè)置過程中，應(yīng)確保下側(cè)和卡扣之間存在一定的距離，而上側(cè)則與卡扣孔相貼合，避免wafer 在Z 方向上移動。

3.2 高速背板連接器footprint設(shè)計

在高速背板連接器設(shè)計過程中，連接器的footprint 設(shè)計屬于首要步驟，究其原因，主要是損耗和串擾會受到產(chǎn)品footprint 布局的直接影響。此外，串擾影響還會被footprint 設(shè)計中的信號針和接地針結(jié)構(gòu)布局所影響。本文所研究的高速背板連接器，其footprint 信號針和接地針的結(jié)構(gòu)為交錯布置，因此，接地針和信號針在寬度上存在差異，假設(shè)信號針和接地針之間的水平距離由Lx 表示，信號針與信號針之間的垂直距離由Ly 表示。我們可以通過改變Lx 或Ly 的方式，使特性阻抗發(fā)生變化。究其原因，主要是電容量會在Lx 和Ly 被改變后而發(fā)生變化，如果電容量C 變小，特性阻抗就會增加，反之則相反。為明確Lx，Ly 改變與串擾之間的關(guān)系，本文設(shè)計了三種footprint，三者的Lx，Ly 均不相同。

仿真結(jié)果表明，在Lx，Ly 距離值被改變后，所獲取的信號完整性結(jié)果各不相同。具體規(guī)律如下：第一，Lx、Ly 的距離值與高速背板連接器的高頻性能具有直接的關(guān)聯(lián)，簡言之，就是Lx、Ly的距離值越大，高頻性能越好。但在連接器實際設(shè)計時，Lx、Ly的距離值會受到空間的限制，尤其是新一代連接器，其體積逐漸縮小，單位面積內(nèi)的信號針數(shù)量越來越多，因此，在設(shè)計階段需要在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計目標。在實際設(shè)計中需要使信號針和接地針位于同一水平線，同時將信號針和接地針通過交叉布置的方式布置成footprint 結(jié)構(gòu)。

在尺寸方面，信號針寬度和接地針寬度相等，相鄰信號針之間的距離為較大為56mil，接地針與相鄰信號針之間的距離約為信號針寬度的1.2 倍。此信號針的寬度為36mil，接地針與相鄰信號針之間的距離為44.5mil。

考慮到本文所研究的連接器，其設(shè)計結(jié)構(gòu)為兩類wafer 疊加，因此，在優(yōu)化設(shè)計時，無法繼續(xù)增加信號針之間的距離，但在兩類wafer 結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以采取以下方面的措施對footprint 設(shè)計進行優(yōu)化。在普通布置中，兩類wafer 中的信號對位置相同。但是在交錯布置中，兩類wafer 中的信號對位置則發(fā)生了改變，具體表現(xiàn)為信號對之間產(chǎn)生了錯位，我們可以將這個錯位距離設(shè)為L。在現(xiàn)實設(shè)計中，設(shè)計人員可以通過調(diào)節(jié)L 的距離，對高速背板連接器信號對之間的串擾進行優(yōu)化，從而使信 上述兩種布置方式，因差分對1和分對2 之間的位置關(guān)系并未發(fā)生變化，故差分對1 和差分對2 的變化并不顯著。但由于第二種布置方式屬于優(yōu)化布置，所以差分對1 對3 之間出現(xiàn)了顯著的變化。在10GHz 時，普通型布置方式和交錯型布置方式的近端串擾仿真數(shù)據(jù)的差值高達20dB，而遠端串擾仿真數(shù)據(jù)差值為30dB，基于仿真結(jié)果可知，交錯型布置方式的效果優(yōu)于普通型布置[3]。

結(jié)合上文可知，產(chǎn)品整體性能會受到差分信號對間交錯距離的影響，因此，距離L 成為了產(chǎn)品設(shè)計時的研究重點。也正是因為L的存在，wafer 才會被分為A 和B。在實際設(shè)計中，交錯距離L 相對較小，大約為λ/4，但這種情況的出現(xiàn)，卻壓縮了工程師的設(shè)計自由度。

仿真結(jié)果表明，在兩類wafer 差分對交錯距離發(fā)生變化后，信號之間的耦合發(fā)生了變化，好壞皆有。在進行耦合能量加權(quán)后，發(fā)現(xiàn)對交錯距離L 進行優(yōu)化，可以減少wafer 間差分信號對之間的串擾。通過模擬8 對信號對間的相互串擾，有助于設(shè)計人員對連接器內(nèi)部信號對之間的相互串擾情況進行掌握。

研究信號對間的相互串擾后發(fā)現(xiàn)，在L=1.1mm 時，近端和遠端串擾均為0.7%，遠遠小于標準型的串擾。在分析完高速背板連接器footprint 傳統(tǒng)設(shè)計后，為促進產(chǎn)品性能的進一步提升，廠家對設(shè)計進行了優(yōu)化?？紤]到新產(chǎn)品傳輸速度不斷加快，體積空間越來越小，導致產(chǎn)品密度不斷增加，為確保產(chǎn)品性能不受內(nèi)部空間的影響。在現(xiàn)實設(shè)計過程中，還要優(yōu)化產(chǎn)品接地針。實踐結(jié)果表明，扭曲接地針根部，有助于縮小接地針的占地面積，同時還能使屏蔽面積增加，扭曲的幅度為45°。優(yōu)化前的接地針，其魚眼壓接結(jié)構(gòu)的數(shù)量為1 個，而優(yōu)化后的接地針擁有2 個魚眼壓接結(jié)構(gòu)，這表明接地針數(shù)量增加1 根，從而使屏蔽性能進一步增強。這種優(yōu)化設(shè)計，可以促進連接器footprint 結(jié)構(gòu)密度的提升，減少信號間的串擾，產(chǎn)品的高頻性能也更為顯著。

3.3 高速背板連接器整體SI設(shè)計

在高速背板連接器footprint 設(shè)計完成后，工程師利用共振阻尼屏蔽技術(shù)，對連接器主體部位進行設(shè)計。為提高設(shè)計質(zhì)量和連接器的性能，針對連接器主體部位共進行3 次優(yōu)化設(shè)計。高速背板連接器在高頻為12.5GHz 時性能參數(shù)如下：插入損耗>-5dB；回波損耗<-5dB；近端串擾<-20dB；遠端串擾<-30dB。

連接器三次設(shè)計方案存在顯著的差別。接下來，本文會通過對比三次設(shè)計之間差別的方式，對高速背板連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進行分析。

在初始設(shè)計方案中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括塑膠件、接地針、信號針和導電膠，但這種結(jié)構(gòu)屬于傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)。在仿真后發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的高速背板連接器，其高頻性能與要求不符。于是對其進行二次設(shè)計，二次設(shè)計對連接器的結(jié)構(gòu)件進行了優(yōu)化，具體表現(xiàn)為增加信號針上的橫截面和導電膠上的槽孔，同時，還將Cap 設(shè)計增加到信號針上。在二次設(shè)計后，對其進行仿真分析。對比后得知，二次設(shè)計的高速背板連接器，其性能遠遠好于初次設(shè)計。但是二次設(shè)計后的高速背板連接器與設(shè)計要求依然存在一定的差距，為此，應(yīng)繼續(xù)進行設(shè)計優(yōu)化[4]。

由于第三次設(shè)計方案是最后的設(shè)計方案，因此，在后續(xù)分析中本文會將其稱為最終設(shè)計方案。在這個設(shè)計方案中，廠商為提高連接器的高頻性能，對端子橫截面、lossy 上的孔槽位置和塑膠上的孔進行了優(yōu)化。與此同時，工程師還將金屬屏蔽片增加到了連接器的結(jié)構(gòu)中，究其原因，主要是金屬屏蔽片相較于導電膠，對電磁的屏蔽效果更加顯著。具體設(shè)計方法是在每一片wafer 都增加金屬屏蔽片，通過這種設(shè)計，發(fā)揮出金屬屏蔽片的保護作用。同時，還采用二次成型工藝和導電膠連接接地針和金屬屏蔽片，形成一種立體式的保護結(jié)構(gòu)，以此來增強電磁屏蔽性能。

此外，工程師還對金屬屏蔽片進行了優(yōu)化設(shè)計，通過兩排彈片的設(shè)計，使金屬屏蔽片與接地針相接觸，最終實現(xiàn)對連接器內(nèi)全部金屬屏蔽片、導電膠和接地針的有效連接，連接器整體屏蔽效果也隨之增強。最后利用仿真軟件對最終設(shè)計方案進行仿真分析。

（1）插入損耗的對比，仿真結(jié)果表明，最終設(shè)計方案的插入損耗在0GHz-12.5GHz 的范圍內(nèi)好于二次設(shè)計方案。

（2）回波損耗的對比，仿真結(jié)果表明，最終設(shè)計方案的回波損耗在0GHz-12.5GHz 的范圍內(nèi)好于二次設(shè)計方案。

（3）近端串擾的對比，仿真結(jié)果表明，最終設(shè)計方案近端串擾在0GHz-12.5GHz 的范圍內(nèi)好于二次設(shè)計方案。

（4）相鄰A、Bwafer 信號間近端串擾對比。仿真結(jié)果表明，最終設(shè)計方案相鄰A、Bwafer 片信號間的近端串擾在0GHz-12.5GHz 的范圍內(nèi)好于二次設(shè)計方案。

（5）遠端串擾的對比。仿真結(jié)果表明，最終設(shè)計方案遠端串擾在0GHz-12.5GHz 的范圍內(nèi)好于初始設(shè)計方案。

（6）時域反射對比。仿真結(jié)果表明，最終設(shè)計方案的時域反射與設(shè)計要求大致相符，好于二次設(shè)計方案。

通過設(shè)計方案的對比，發(fā)現(xiàn)連接器結(jié)構(gòu)和屏蔽材料選擇，與產(chǎn)品信號串擾控制性能存在密切的關(guān)聯(lián)。尤其是導電塑膠，可以成為立體共振阻尼屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)。但在材料本身因素的影響下，連接器的插入損耗會大幅度增加。而金屬屏蔽結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，雖然屏蔽性能優(yōu)越，且不會產(chǎn)生插入損耗，但在中壓工藝的影響下，此類結(jié)構(gòu)較為單一，主要以片式屏蔽結(jié)構(gòu)為主，無法滿足高層次的要求。因此，在進行高速背板連接器實際設(shè)計時，所采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法為同時應(yīng)用，簡言之，就是使導電塑膠和金屬屏蔽片相結(jié)合，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，可以增強連接器的屏蔽效果，且不會影響插入損耗，與設(shè)計要求相符。

在高速背板連接器設(shè)計實踐中，為提升高頻性能，還可以采取其它設(shè)計方法，比如：對信號對串擾進行改善；改變差分信號對中的兩根信號針結(jié)構(gòu)，將其由平行結(jié)構(gòu)改變?yōu)榻徊娼Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與雙絞線較為類似，可以使信號間的相互串擾下降，最終實現(xiàn)提高連接器高頻性能的目的。

4 結(jié)論

綜上所述，在經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，國家和社會公眾對信息傳輸效率提出了更高的要求，并要求設(shè)備體積朝著小型化的方向發(fā)展，但在設(shè)備體積縮小后，信號與信號之間的距離會被縮短，串擾問題逐漸嚴重，最終使信號完整度受損，無法滿足人們的需求。因此，保證信號完整性成為了高速背板連接器設(shè)計的關(guān)鍵問題，關(guān)系到連接器的整體性能。在實際設(shè)計中，設(shè)計人員需要以殼體設(shè)計、footprint 設(shè)計和SI 設(shè)計為著力點，對高速背板連接器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，從而滿足預(yù)期的設(shè)計要求。