高速背板连接器结构设计研究

陈松 刘向阳

（成都宏明电子股份有限公司 四川省成都市 610100）

1 引言

在科学技术高速发展的背景下，国家和大众对信息通讯传输速度和设备体积提出了更高的要求，在这种趋势下，信号与信号之间的距离逐渐缩短，但信号间相互耦合会导致严重的串扰问题，信号完整性也会因此而受到影响。如何保证信号完整性已经成为背板连接器设计的核心，与其性能存在密切的关联。因此，对此项课题进行研究，具有十分重要的意义。

2 高速背板连接器介绍

存储器内部和交换机是高速背板连接器的主要应用位置，大数据传输是其主要作用，信号会以高速背板截链器的互连为媒介，将信号由发射端向接收端传输，最终完成整个信号传输过程。

在设计高速背板连接器的过程中，需要考虑的设计要点分别为损耗、串扰、时域反射和时钟偏移。在上述几大设计要点中，串扰问题的解决最为关键[1]。

XHDU 高速背板连接器是本文所选择的研究对象，这种背板连接器的设计目标为25Gb/s。面向的企业包括华为和中兴，在4G 网络高速信号传输领域中的应用较为广泛。该产品具有诸多方面的优势，主要体现在以下方面：第一，空间结构小；第二，传输速度快；第三，信号完整性高。为使客户需求得到满足，需要经过三次设计才能达到设计要求。在设计过程中，所采取的设计方式以公母配对设计为主，究其原因，主要是这种设计方式，可以为产品界面互相配合和分析信号完整性，创造有利的条件。与普通连接器相比，高速背板连接器采用wafer 错位叠加的设计方式，使产品拓展目标达成。因此，结构设计对整个连接器来说至关重要。在这个结构中，信号传输和接地时端子的作用。依据其作用的不同，可以将其分为传输端子和接地端子。信号端子的结构以差分信号对为主，在信号传输中的应用效果较为显著。接地端子的作用为屏蔽电磁，同时，还能调节阻抗。导电胶是高速背板连接器结构中的特殊材料，碳纤维的增加，赋予了设备非常强的电磁屏蔽能力。金属屏蔽片的作用为保护和屏蔽电磁。而电容设计的增加，有利于产品整体性能的提升[2]。

3 高速背板连接器的优化设计

3.1 高速背板连接器壳体结构设计

高速背板连接器的组成部分包括接地针、信号针和壳体。三者之间的配合方式均以过盈配合为主，简言之，就是插针与壳体相连接。壳体结构设计对于高速背板连接器整体设计而言至关重要，想要使wafer 在插头壳体内定位准确性得到保证，通常会将小型扣位设置到wafer的侧面，同时将卡扣孔设置到插头壳体处。通常情况下，壳体尺寸小于卡扣尺寸，但壳体由于具备塑性变形能力，因此，插头壳体会在卡扣到位后回归原位，并与wafer 相连。在卡扣孔的扣位设置过程中，应确保下侧和卡扣之间存在一定的距离，而上侧则与卡扣孔相贴合，避免wafer 在Z 方向上移动。

3.2 高速背板连接器footprint设计

在高速背板连接器设计过程中，连接器的footprint 设计属于首要步骤，究其原因，主要是损耗和串扰会受到产品footprint 布局的直接影响。此外，串扰影响还会被footprint 设计中的信号针和接地针结构布局所影响。本文所研究的高速背板连接器，其footprint 信号针和接地针的结构为交错布置，因此，接地针和信号针在宽度上存在差异，假设信号针和接地针之间的水平距离由Lx 表示，信号针与信号针之间的垂直距离由Ly 表示。我们可以通过改变Lx 或Ly 的方式，使特性阻抗发生变化。究其原因，主要是电容量会在Lx 和Ly 被改变后而发生变化，如果电容量C 变小，特性阻抗就会增加，反之则相反。为明确Lx，Ly 改变与串扰之间的关系，本文设计了三种footprint，三者的Lx，Ly 均不相同。

仿真结果表明，在Lx，Ly 距离值被改变后，所获取的信号完整性结果各不相同。具体规律如下：第一，Lx、Ly 的距离值与高速背板连接器的高频性能具有直接的关联，简言之，就是Lx、Ly的距离值越大，高频性能越好。但在连接器实际设计时，Lx、Ly的距离值会受到空间的限制，尤其是新一代连接器，其体积逐渐缩小，单位面积内的信号针数量越来越多，因此，在设计阶段需要在较小的空间内实现预期的设计目标。在实际设计中需要使信号针和接地针位于同一水平线，同时将信号针和接地针通过交叉布置的方式布置成footprint 结构。

在尺寸方面，信号针宽度和接地针宽度相等，相邻信号针之间的距离为较大为56mil，接地针与相邻信号针之间的距离约为信号针宽度的1.2 倍。此信号针的宽度为36mil，接地针与相邻信号针之间的距离为44.5mil。

考虑到本文所研究的连接器，其设计结构为两类wafer 叠加，因此，在优化设计时，无法继续增加信号针之间的距离，但在两类wafer 结构设计中，可以采取以下方面的措施对footprint 设计进行优化。在普通布置中，两类wafer 中的信号对位置相同。但是在交错布置中，两类wafer 中的信号对位置则发生了改变，具体表现为信号对之间产生了错位，我们可以将这个错位距离设为L。在现实设计中，设计人员可以通过调节L 的距离，对高速背板连接器信号对之间的串扰进行优化，从而使信 上述两种布置方式，因差分对1和分对2 之间的位置关系并未发生变化，故差分对1 和差分对2 的变化并不显著。但由于第二种布置方式属于优化布置，所以差分对1 对3 之间出现了显著的变化。在10GHz 时，普通型布置方式和交错型布置方式的近端串扰仿真数据的差值高达20dB，而远端串扰仿真数据差值为30dB，基于仿真结果可知，交错型布置方式的效果优于普通型布置[3]。

结合上文可知，产品整体性能会受到差分信号对间交错距离的影响，因此，距离L 成为了产品设计时的研究重点。也正是因为L的存在，wafer 才会被分为A 和B。在实际设计中，交错距离L 相对较小，大约为λ/4，但这种情况的出现，却压缩了工程师的设计自由度。

仿真结果表明，在两类wafer 差分对交错距离发生变化后，信号之间的耦合发生了变化，好坏皆有。在进行耦合能量加权后，发现对交错距离L 进行优化，可以减少wafer 间差分信号对之间的串扰。通过模拟8 对信号对间的相互串扰，有助于设计人员对连接器内部信号对之间的相互串扰情况进行掌握。

研究信号对间的相互串扰后发现，在L=1.1mm 时，近端和远端串扰均为0.7%，远远小于标准型的串扰。在分析完高速背板连接器footprint 传统设计后，为促进产品性能的进一步提升，厂家对设计进行了优化。考虑到新产品传输速度不断加快，体积空间越来越小，导致产品密度不断增加，为确保产品性能不受内部空间的影响。在现实设计过程中，还要优化产品接地针。实践结果表明，扭曲接地针根部，有助于缩小接地针的占地面积，同时还能使屏蔽面积增加，扭曲的幅度为45°。优化前的接地针，其鱼眼压接结构的数量为1 个，而优化后的接地针拥有2 个鱼眼压接结构，这表明接地针数量增加1 根，从而使屏蔽性能进一步增强。这种优化设计，可以促进连接器footprint 结构密度的提升，减少信号间的串扰，产品的高频性能也更为显著。

3.3 高速背板连接器整体SI设计

在高速背板连接器footprint 设计完成后，工程师利用共振阻尼屏蔽技术，对连接器主体部位进行设计。为提高设计质量和连接器的性能，针对连接器主体部位共进行3 次优化设计。高速背板连接器在高频为12.5GHz 时性能参数如下：插入损耗>-5dB；回波损耗<-5dB；近端串扰<-20dB；远端串扰<-30dB。

连接器三次设计方案存在显著的差别。接下来，本文会通过对比三次设计之间差别的方式，对高速背板连接器结构设计要点进行分析。

在初始设计方案中，产品结构包括塑胶件、接地针、信号针和导电胶，但这种结构属于传统设计结构。在仿真后发现，这种结构的高速背板连接器，其高频性能与要求不符。于是对其进行二次设计，二次设计对连接器的结构件进行了优化，具体表现为增加信号针上的横截面和导电胶上的槽孔，同时，还将Cap 设计增加到信号针上。在二次设计后，对其进行仿真分析。对比后得知，二次设计的高速背板连接器，其性能远远好于初次设计。但是二次设计后的高速背板连接器与设计要求依然存在一定的差距，为此，应继续进行设计优化[4]。

由于第三次设计方案是最后的设计方案，因此，在后续分析中本文会将其称为最终设计方案。在这个设计方案中，厂商为提高连接器的高频性能，对端子横截面、lossy 上的孔槽位置和塑胶上的孔进行了优化。与此同时，工程师还将金属屏蔽片增加到了连接器的结构中，究其原因，主要是金属屏蔽片相较于导电胶，对电磁的屏蔽效果更加显著。具体设计方法是在每一片wafer 都增加金属屏蔽片，通过这种设计，发挥出金属屏蔽片的保护作用。同时，还采用二次成型工艺和导电胶连接接地针和金属屏蔽片，形成一种立体式的保护结构，以此来增强电磁屏蔽性能。

此外，工程师还对金属屏蔽片进行了优化设计，通过两排弹片的设计，使金属屏蔽片与接地针相接触，最终实现对连接器内全部金属屏蔽片、导电胶和接地针的有效连接，连接器整体屏蔽效果也随之增强。最后利用仿真软件对最终设计方案进行仿真分析。

（1）插入损耗的对比，仿真结果表明，最终设计方案的插入损耗在0GHz-12.5GHz 的范围内好于二次设计方案。

（2）回波损耗的对比，仿真结果表明，最终设计方案的回波损耗在0GHz-12.5GHz 的范围内好于二次设计方案。

（3）近端串扰的对比，仿真结果表明，最终设计方案近端串扰在0GHz-12.5GHz 的范围内好于二次设计方案。

（4）相邻A、Bwafer 信号间近端串扰对比。仿真结果表明，最终设计方案相邻A、Bwafer 片信号间的近端串扰在0GHz-12.5GHz 的范围内好于二次设计方案。

（5）远端串扰的对比。仿真结果表明，最终设计方案远端串扰在0GHz-12.5GHz 的范围内好于初始设计方案。

（6）时域反射对比。仿真结果表明，最终设计方案的时域反射与设计要求大致相符，好于二次设计方案。

通过设计方案的对比，发现连接器结构和屏蔽材料选择，与产品信号串扰控制性能存在密切的关联。尤其是导电塑胶，可以成为立体共振阻尼屏蔽结构的设计基础。但在材料本身因素的影响下，连接器的插入损耗会大幅度增加。而金属屏蔽结构的应用，虽然屏蔽性能优越，且不会产生插入损耗，但在中压工艺的影响下，此类结构较为单一，主要以片式屏蔽结构为主，无法满足高层次的要求。因此，在进行高速背板连接器实际设计时，所采用的结构设计方法为同时应用，简言之，就是使导电塑胶和金属屏蔽片相结合，这种结构设计方式，可以增强连接器的屏蔽效果，且不会影响插入损耗，与设计要求相符。

在高速背板连接器设计实践中，为提升高频性能，还可以采取其它设计方法，比如：对信号对串扰进行改善；改变差分信号对中的两根信号针结构，将其由平行结构改变为交叉结构。这种结构与双绞线较为类似，可以使信号间的相互串扰下降，最终实现提高连接器高频性能的目的。

4 结论

综上所述，在经济高速发展的背景下，国家和社会公众对信息传输效率提出了更高的要求，并要求设备体积朝着小型化的方向发展，但在设备体积缩小后，信号与信号之间的距离会被缩短，串扰问题逐渐严重，最终使信号完整度受损，无法满足人们的需求。因此，保证信号完整性成为了高速背板连接器设计的关键问题，关系到连接器的整体性能。在实际设计中，设计人员需要以壳体设计、footprint 设计和SI 设计为着力点，对高速背板连接器结构进行优化设计，从而满足预期的设计要求。