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高速背板连接器的未来发展趋势

    作者:宏拓新软件
    发布日期:2024-07-08         
阅读:41     
 
 

摘 要:体积更小,性能更好,成本更低, 传输速度更快已经成为未来高速背板连接器的专业术语。同样,采用塑料屏蔽层和空气屏蔽层也将成为其未来发展趋势。

关键词:高速背板连接器;接口;传输速度;信号串扰

 

1 引言

高速背板连接器随着市场需求的变化而不断改进推动了网络新接口的开发。从单端并行结构到串行差分信号传输的转变大大地改变了人们对背板连接器的前景展望, 使得几个千兆比特的传输速度由几年前还是不可想象变成了现实的可能性。从2010~ 2013年的市场不景气中逐渐恢复的背板连接器工业已经带来了新的应用需求,并刺激了一系列外延产品和新的接口系列的飞速发展。在某些情况下,连接器供应商正在积极填补现有产品线的空白。这就使得用户可以更加准确地将其应用需求与其选择的接口性能有机地结合起来。在其他一些情况下,制造商正在推出适应日益增大的市场需求的新型连接器。

与此同时,连接器供应商正在提出一系列在未来几年内将会影响背板连接器市场需求的发展趋势。首先,频带宽度将会逐渐增大。仅仅在几年以前,大多数网络系统把重点都集中在其传输速度达到25G bps (XAUI)这一目标上, 可如今系统的传输速度设计要求已经达到了56G bps~112G bps, 而且还必须具有一个可扩展到224Gbps的预留空间。这种连接器无须更换新的背板连接器器件就可以使整个系统升级,这一能力对其用户来说非常具有诱惑力。虽然下一步究竟会发展哪里目前尚不明确,但是,那些取决于串行器/解串器(SERDES)信号的技术特征以及新的信号传输协议文件和PCB电路板材料的进展似乎已经表明,使用铜材互连器件后,其传输速度将来可能会进一步扩展到224G bps以上。

GbX标准背板连接器

Z-PACK HM-Zd型高密度(HD)连接器

图1 Z-PACK HM-Zd型高密度(HD)连接器(下图)以及GbX标准背板连接器(上图),其特点是具有内部金属屏蔽层。

市场对体积更小、性能更好以及成本更低的终端产品的需求在一些重要的应用领域影响着传输系统的设计。首先,体积更小的连接器可以将接触件集中在一个更为紧凑的中心线上,这样就可能增大电路之间的信号串扰,在较高的频率条件下会降低信号的完整性。较小的接触件一般具有较低的电流额定值,这样,一些诸如系统电源要求的真正问题就会随之不断出现。在一个密集封装的系统中,许多元件产生的过多热量必须采取措施散发到箱子外面。所有的元件(包括连接器)在设计时必须注意到要尽量减少对冷却气流的阻碍作用。目前,市场上出现的这类产品包括由FCI公司(Etters,PA)提供的可以让气流顺畅通过连接器的一种背板电源模块,以及由Teradyne(Nashua,NH)推出的外形尺寸特别小并可以减少空气潴留的Aptera连接器。

2 高速连接器发展现状

随着用户对传输速度的要求越来越高,高速背板连接器供应商不断优化其产品,调整的内容主要包括采用柔性干涉连接电路板技术,使得电路板的孔可以做得更小,并用定制的塑胶来补偿信号延迟,或者推荐在电路板扩孔。半导体技术的发展使高速连接器厂商能够展示他们更高频率的产品。高速连接器市场经历了新界面暴增时代,这些新界面高速背板连接器为迎接新一代应用的竞争做好了充分准备。

目前,高速背板连接器领域主要有4个厂商,分别是 Amphenol TCS、FCI、Molex和TE,它们均能供应20Gbps的高速连接器。美国Molex是军工背景企业,在军工、航天航空和通信方面非常有名。AMP/TE做端子、胶壳起家的,如今是消费类电子高速连接器的世界老大,而通信高速连接器市场美国安费诺公司(Amphenol)占据龙头老大的地位,FCI/BERG 高速连接器则占据第四位(2017年被美国安费诺财团收购)。

截至2018年,应用于25G信号的主流背板高速连接器型号有Amphenol的ExaMAX、Xcede HD,TE的Whisper,Molex的Impel、Impel plus,这些高速连接器已经在背板系统应用得非常广泛。即便之前量产的领域几乎没有要求这么高的传输速度,但这种高性能的高速连接器却给了未来系统更新升级的空间,对系统设计者很有吸引力,高速背板高速连接器是新系统硬件的至关重要零件,需要兼容交叉互配,一旦在系统设计阶段被选上,很可能无法用别家的高速连接器替换,因为在10Gbps以上工作频率,若高速连接器的内部结构不同,传输性能会大不一样。

3 高速连接器的未来趋势

随着 IT 行业的快速发展,传输质量、速度和应用层面的多样性引发了向更快传输速度发展的持续推动力。为了提高信号传输速度,所有单个组件都必须能够最大限度地减少信号衰减、失真和抗干扰性。因此,作为传输“桥梁”的高速连接器也需要升级换代,因为它在传输质量和速度方面的作用越来越大,如下图2所示。

交换芯片演进路线(速率升级/通道数升级)

图2 交换芯片演进路线(速率升级/通道数升级)

在56Gbps速率时代,为了追求更高的端口密度,连接器企业将进一步开发出了QSFP-DD I/O模块,实现了400G端口容量,将来会朝着支持800G端口容量的QSFP-DD连接器演进。现在,QSFP-DD连接器还只用在较为高端的服务器上,内部存储连接器以Mini-SAS、Mini-SAS HD为主,则将会更多地使用Gen Z、Slim SAS、MCIO等更高速的背板连接器。

AI时代下服务器对高性能高速连接器的传输速率和稳定性提出了更高的要求,背板连接器要满足在有限空间内布局更多的传输线路以实现更快的传输速率、更高的可靠性等要求。更高的传输速率越高端服务器所需传输的数据量就越大,对高速连接器传输速率要求也更高。

金属屏蔽层系统和空气屏蔽层系统之间的优劣辩论曾经风行一时。传统的高速连接器已经在信号线路之间使用金属屏蔽层,以便建立一定的阻抗控制并减少信号之间的串扰作用。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 连接器均使用内部金属屏蔽层,参见图1所示。而FCI公司的AirMax连接器采用了一种虚拟的屏蔽层来代替金属屏蔽层,这就大大地刺激了市场对这一产品的需求。AirMax连接器的虚拟屏蔽推出一种替代方法,即将空气介质和阶梯式、卡缘耦合接触件有机地结合使用,这样,既减少这一接口的重量也降低了其制造成本,参见图3所示。

而另外一派则认为,只有采用一个接地金属屏蔽层才能在增大接口机械强度的同时,提供适当的信号串扰管理。当保持一个牢固接口的同时,泰科公司正在推出一种新型的Z-PACK Max高速背板连接器,参见图4所示。它采用一个塑料电介质,没有内部屏蔽层,从而既可以保持其牢固性,也可以降低其相关的费用成本。市场经验、带宽需求和成本压力将成为最终解决这些问题的决定因素。

AirMax虚拟屏蔽连接器将空气电介质与阶梯式和边缘连接接触件结合在一起,这样就无须使用金属屏蔽层。

图3 AirMax虚拟屏蔽连接器将空气电介质与阶梯式和边缘连接接触件结合在一起,这样就无须使用金属屏蔽层。

 

高速Z-PACK Max背板连接器所使用的是塑料电介体,没有采用内部屏蔽层

图 4 高速Z-PACK Max背板连接器所使用的是塑料电介体,没有采用内部屏蔽层

3 端接技术

人们已经认识到,从连接器过渡到PCB电路板触脚表面是背板连接器发生信号扭曲的最大成因。主要高速接口如今大多采用与其相适应的压接插针端接技术。电镀的通孔触脚表面会产生一定的信号串扰, 而通孔底部没有端接的凸台会产生大量的电容,从而进一步降低了信号的保真性。表面安装连接器综合了焊盘和小直径之特点,所以,表面贴装或通孔回流端接方式能提供更好的信号完整性,可以作为这些问题的一个可行的解决方案。

ERNI ERmet zero XT连接器采用表面安装的信号接触件和通孔接地插针,参见图4所示。FCI公司已经宣布开发出一种AirMax VS 球-栅焊接连接器,而Teradyne公司也宣称推出一种表面安装端接的Ventura高密度连接器。泰科电子公司最近宣布推出一种Z-PACK HM-Zd 系列扩展型高密度(HD)连接器,它既可以采用适宜的插针也可以采用表面安装方式。其他连接器供应商也可望为其高速接口开发出替代的连接器件,如压缩接触件,尤其是符合带宽需求超过12G bps的应用领域。

ERNI Ermet zero XT连接器的特点是采用SMT端接适应于10Gbps信号应用

图4 ERNI Ermet zero XT连接器的特点是采用SMT端接适应于10Gbps信号应用

目前,大多数卡-框架系统采用传统的背板结构,即由位于卡架后面的背板和从前面插入的子卡组成。还有一种替代选择就是采用中间板的那种垂直连接或交叉连接设计,其子卡可以从两边插入。由于前后子卡之间一般彼此要形成一个90°的方位角,故信号可以直接从一个子卡传输到另外一个子卡,不会发生采用中间板在互连时产生的那种信号损失的现象。随着信号传输路径长度的增大,高速信号的完整性往往会出现一定程度的降低。因此,电路设计人员必须把高速连接器作为整个传输线的一部分考虑进去,包括阻抗、传输延迟、时滞和串扰等因素。并在某些传输系统中,要尽可能地缩短这些互连器件长度才使之具有一种真正的竞争优势。

通过适当的设计, 中间板可以成为背板连接器的一个机械支撑结构,而中间板上仅有的铜线路图则用于低速信号和电源分配。在某些条件下,中间板可以完全省略, 而用一个支撑矩形连接器的金属框架来代替。垂直连接设计在某些应用领域中已经使用了好几年,不过,它们在子卡存取和热管理方面也可能会遇到一些真正的挑战。近年来,中间板结构性能的优势又极大地提高了一些主要供应商开发新的连接器的兴趣,新产品随后也在不断推出,其他供应商也在密切关注开发这一市场潜力。

夹层连接器正在成为一种根据标准化的建筑模块为用户提供程度更高的定制化的设计途径。 PMC 夹层卡标准现在已经被补充到新的先进的夹层卡(AMC)规范要求中,以支持新一代的仪器设备。一些供应商,包括泰科公司和Teradyne公司,已经通过开发适用于夹层应用领域的垂直插座来进一步拓展其背板连接器产品系列。其他制造商, 如FCI公司提供MEG阵列和GIG阵列的夹层连接器,其特点是适用于高速性能的球栅阵列(BGA)安装。而另一家供应商Samtec公司则可以提供品种齐全可适用于几个千兆比特传输速度的夹层连接器。

据报道,MicroSpeed连接器的纵向间距是1.0 mm,横向间距则为1.5 mm(出于对阻抗方面的考量)。差分信号对可以采用水平排列或竖直排列。当其排列成竖直型时,信号对的竖直构型(从纵向到横向)、信号和屏蔽端子对达到最佳的串扰性能。测量结果显示,在100ps的上升时间内,其串扰小于2%,反射率小于5%(板厚1.6mm),眼图非常理想(FR4板材,100mm长传输线)。不仅如此,MicroSpeed连接器达到了100 % 的共面性(公差±0.05mm)。ERNI端子系统的公差使得在一块板上排列多个夹层连接器成为可能,且不会带来插拔或端子方面的问题。

近年来,连接器的耐久性一直是人们谈论的一个重要话题。例如,在背板中,仅仅一个插针弯曲现象就可能会导致一个系统发生故障,这就需要花费较为昂贵的维修费用。随着信号密度的进一步加大, 插针变得越来越小就更容易出现器件损坏。为此,连接器供应商采用更耐久的合金材料,成形的插针以及更好的预校准硬件。泰科公司MultiGig RT连接器系列采用卡缘设计代替插针、插孔来解决这一问题。Teradyne公司推出的新型Aptera连接器也采用一种两件式边缘连接器结构,以增大可分离式接口的结构强度,参见图5所示。

新型Aptera连接器既能解决可分离式接口的耐久性问题,又可节省电路板的空间。

图5 新型Aptera连接器既能解决可分离式接口的耐久性问题,又可节省电路板的空间。

每个配合线路的应用成本(包括对PCB电路板设计和层数的影响)一直是今天人们选择一切连接器所要考虑的关键因素。用户既想获得更好的性能,也想花费更低的成本,所以高速背板连接器的市场价格将会继续下滑。一些用户将会继续设计标准的2mm无屏蔽式连接器,作为一种商用连接器。那些只需要较少的高速线路且不需要严格的高密度要求的设计人员往往发现这些连接器至少在短期内可以作为一个成本低廉的解决方案。分配更多的接地插针可以使得这些接口的传输速度大大超过他们原先设计的水平。

3 结语

高性能连接器系统的开发一直是一个耗费、耗时的过程,它需要设计、材料、模拟试验、测量和制造等一系列现代化的资源。几个千兆比特系统的性能描述已经从原来简单的时间域反射法和单线串扰测量进一步演变成需要采用S参数及眼图分析来完成。大型原设备制造商(OEM)已经习惯于采用定制接口,它要求采用一个限定的客户基地进行模具制造,以扩展其产品系列。为此,许多主要连接器制造商要么以一个发起人的名义,要么将产品交与另一家公司生产(即所谓的产品第二来源)的方式参与研发。不过,其成本-效益比可能使一些供应商重新考虑这一策略。每条配对线价格将会随着现有的市场占有率的下降而继续降低。其结果,这一专业化很强的市场份额可能就属于那些拥有必要相关资源的供应商。

随着连接器工业领军者继续处理更大带宽、更高密度和耐久性以及表面安装端接和热管理问题,他们将得到有价值的成熟的专业技术。这些技术特性又可以应用于其他类型的连接器中,并为整个产品系列赢得非常有价值的竞争优势。随着商品接口不断提高其系统的传输速度,开发新接口以支持更大带宽的研发能力使得整个连接器工业分化成两个不同层次的制造商,即具有高速背板连接器设计和产品供应能力的高端制造商以及不具有这一研制能力的低端制造商。这将会最终加快这个本已四分五裂的连接器行业不同供应商之间进行一次整合,这也是早已在人们预料之中的发展趋势。

 

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