国产PCB基材在VPX高速背板连接器中的应用

许彬彬，李长江，吉进农，李玉龙，胥进道

(深圳市通茂电子有限公司，广东深圳，518109)

1 引言

随着贸易战愈演愈烈，为了避免被卡脖子，各行各业都开始探索国产化替代方案。尤其对于军用领域，国家更是下大力气推行国产化，要求整机设备的硬件国产化率达到100%，并且强制执行，对于一些重点项目，还要求操作系统国产化。立足国内，自主可控已成为设备厂家未来发展的主要趋势，他们对下游配套供方也提出了同样的要求，我们连接器生产厂家作为设备厂家的下游配套单位，也能深刻体会到国家对于国产化的决心有多么强烈，也开始逐渐按国产化的思路和要求开发产品。

VPX系列高速背板连接器符合VITA46/48的总线标准，是一种新型的军用高密度、高速率、模块化、通用型电连接器，广泛应用于第三代、第四代综合航电系统，新一代雷达总线系统，以及陆军和海军的军用信息化、网络化高速传输系统。

VPX连接器为"无针"连接模式，采用PCB晶片进行信号互连和传输，可实现差分信号、单端信号、电源等多种信号的集成化传输。

6.25Gbps的VPX连接器的PCB晶片大多采用FR-4基材，但12.5Gbps和20Gbps的PCB晶片基本上都采用美国罗杰斯的RO4350B和日本松下的M6，也就是说虽然连接器是国内研制单位生产的，但高速率VPX连接器的PCB晶片的基材仍然是采用进口的。为了更好的满足国产化的要求，我们有必要探讨国产基材在VPX连接器中应用的可能性。

图1 VPX连接器

图2 差分+单端PCB晶片

2 基材介绍

VPX连接器采用PCB晶片作为信号传输的载体，PCB基材对连接器的传输性能起主要作用。国内对于高频基材的研制起步较晚，此类基材大多采用国外的品牌，如美国罗杰斯和日本松下。广东生益科技伴随国内通讯行业的发展一直致力于高频、高速领域的研发、和市场推动工作，逐步进入了高频、高速市场。具有自主研发低介电常数、低损耗的高频PCB基材的能力，已开发出性能对标美国罗杰斯RO4350和日本松下M6的基材，型号为LNB33，可用于20Gbps传输速率的VPX连接器应用研究。

表1 LNB33和M6性能对比

根据高频、高速材料介损因子(Df)业界的路标图，LNB33属于Tier5级别的材料。

3 基材特性对连接器传输性能的影响

3.1 有损传输线的信号损耗

单位长度损耗由两部分组成，一部分是由导线串联电阻引起的损耗αcond，一部分为介质材料并联损耗αdiel。介质引起的损耗增加的速度要比导线引起的损耗增加的速度更快，当频率很高时，介质损耗处于主导地位，导体损耗处于次要地位。本文研究的VPX连接器的传输速率需要达到20Gbps，基础频率为10GHz,介质损耗占主导地位，减少介质损耗比减少导体损耗对产品传输性能的提升更有意义。介质损耗的计算公式如式(1)。

(1)

式中，αdiel——单位长度介质损耗；

K——常数；

f——频率；

εr——介电常数，材质表中通常用Dk表示；

tanδ——介损因子，材质表中通常用Df表示；

C——光速。

由式(1)可知，介质损耗不仅随着信号的频率增加而增大，而且也随着介质中介电常数εr和介质损耗因子tanδ的增大而增加。介质损耗通常会转变成热能，引起基材温度升高，而基材的温升又引起更大的信号介质损耗，使信号传输变差等一系列"恶性循环"，严重影响信号的传输。因此，对于高频信号和高速数字信号的传输用基板必须选择低介电常数和低介质损耗因子的基材。LNB33的介电常数和介质损耗因子都比M6的小，其介质损耗应该比较小，采用软件计算在10GHz的频率下，LNB33的介质损耗约为0.13dB，M6的约为0.16dB。

3.2 介质中的延迟效应

信号在空气中的传播速度比在介质中的传播速度更快，当信号在介质中传输时，信号传输速度减慢、发生传输时间延迟现象，形象地理解：人在陆上行走，空气阻力较小，可以走得更快，而人在水里行走，水的阻力大，走的慢，等长的行程，时间更长。

如式(2)所示。

(2)

式中，TD——传输信号延迟时间；

L——传输线长度；

K——常数；

εr——介电常数；

C——光速。

在介质中信号传输的延迟时间TD是随着介质层的介电常数增大而增加，因此采用低介电常数的基材可以减少信号的时延，LNN33的介电常数明显比M6的小，在相同长度的传输线上，传输时延应该会比M6的小。

3.3 介电常数稳定性对阻抗的影响

按照"传输线理论"，在高速传输中，阻抗的微小偏移，会导致传输性能的波动。所以PCB晶片中微带线的阻抗必须进行控制，必须保证阻抗匹配，如果阻抗失配就会产生较大反射，影响信号完整性。VPX产品的PCB晶片采用微带线结构，阻抗计算见式(3)。

(3)

式中，Zdiff——差分阻抗；

Z0——未耦合时的单端阻抗，由式(4)求解；

s——信号线的边缘间距；

h——信号线与地平面的介质厚度。

(4)

式中，Z0——单端阻抗；

w——线宽；

εr——介电常数；

t——信号线厚度。

从式(3)、式(4)中可看出，传输信号的阻抗匹配不仅与线路的截面的尺寸有关，线路长度方向各处截面尺寸不同，则各处的阻抗值就不同，截面尺寸的精度主要与板厂的制程能力相关；介电常数的变化也影响着特性阻抗的变化，PCB基材介电常数的稳定性变得十分重要，LNB33的介电常数从1GHz到10GHz的频段内，从3.33变化到3.30，变化率仅为0.9%，而M6的从3.71变化到3.63，变化率为2.2%，因此，LNB33具有更好的稳定性，能够更好地在带宽内匹配阻抗。采用软件计算两种基材的微带线的阻抗，LNB33的特性阻抗约为100.32Ω，M6的约为101.52Ω。

图3 差分线截面结构

3.4 吸水率对传输性能的影响

军用连接器都有耐湿的要求，需要保证在潮湿环境下也能正常工作，潮湿除了影响产品耐电压和绝缘电阻等安全性指标之外，对于高速传输连接器还有其他影响，水的介电常数十分大，接近80，基材在吸入水份后介电常数和损耗因子会增大，按以上分析，介电常数和损耗因子增大会降低传输性能。所以低吸水率是高频基材的重要特征，LNB33和M6的吸水率都很低，都是高频基材，但LNB33的吸水率约为0.1%，比M6略小，具有更好的耐湿能力。两者吸水率差异的原因：LNB33为了将介电常数做低，添加了大量的二氧化硅(陶瓷粉)作为填料，陶瓷粉的吸水率很低；M6为了得到合适的介电常数，以玻纤纱为"经线"，纤维纱为"纬线"组成纤维布，材质中都是纤维材料，吸水率会稍微高点。

总之，基材特性影响着信号传输的速度和时间延迟、信号损耗、特性阻抗等指标，一般而言，低介电常数、低tanδ值、低吸水率是非常有利于高频、高速信号传输的，LNB33铜箔附着力，X/Y方向热膨胀系数等参数也优于M6基材，通过以上几方面的对比分析，LNB33是具备替代M6使用条件的。

4 仿真分析

解析计算通常都是通过传输线的截面特性进行简易计算，但连接器的结构比较复杂，传输线(差分接触对)在产品中的截面不可能恒定不变。我们需要采用三维全电波仿真软件进行仿真分析，进一步分析两种基材对连接器传输性能的影响。

建立三维模型，并按不同的基材设置好材料参数，产品的传输速率为20Gbps,基材频率(带宽)为10GHz,但我们为了看到高次谐波对传输性能的影响，我们将求解频率设置为20GHz,对于上升沿时间，我们按公式(5)计算，得出RT为35ps。设置好所有参数和边界条件后，我们开始求解两种基材的模型。

(5)

式中，BW——带宽，GHz；

RT——上升沿，ns。

图4 仿真模型

采用LNB33和M6的基材后，连接器在10GHz的插入损耗分别为1.08dB和1.16dB，都小于3dB，满足要求。从8GHz开始，采用LNB33基材的连接器，其插入损耗优于M6的。

采用LNB33和M6的基材后，连接器的本体特性阻抗分别为95.257Ω～104.44Ω和92.936Ω～104.24Ω，都满足(100±10)Ω的要求。

图5 插入损耗

图6 特性阻抗

采用LNB33和M6的基材后，连接器在10GHz的回波损耗分别为14.61dB和12.808dB，都大于5dB，符合要求。LNB33的回波损耗波动范围比较小，这主要是因为其介电常数随频率的变化较小。

图7 回波损耗

两种基材的连接器模型眼图仿真分析，并且添加测试大纲要求的眼图模板，都没有出现与模板相交的情况，都可以满足20Gbps的传输要求。

图8 眼图仿真

5 试验验证

高速背板连接器的传输性能指标主要包括插入损耗、回波损耗、近端串扰、特性阻抗、误码率、眼图等，为了验证传输性能是否符合要求，我们分别制作了LNB33和M6的PCB晶片，并装配成VPX连接器进行测试，各项传输性能指标都符合要求。

图9 误码率测试

图10 眼图测试

从表2中可以看出，LNB33的产品在近端串扰、误码率和眼图等指标与M6的处于同一水平；插入损耗和特性阻抗略优于M6的，主要是因为LNB33具有更低的介电常数和介质损耗因子；回波损耗比M6的稍微差一点，但也合格，回波损耗稍微差一点的原因是VPX连接器的压接点阻抗是偏低的，M6的产品阻抗偏下限，而LNB33的阻抗偏中心限，在接上链路测试后，信号反射会稍微大点，所有就表现出回波损耗指标稍微差点。

表2 传输性能测试

6 结论

本文以VPX高速背板连接器为研究对象，对该连接器的PCB晶片采用的基材进行了全面的分析，从基材特性对传输性能的影响出发，结合仿真手段，全面对比了LNB33和M6的性能差异，充分论证了国产基材LNB33代替进口基材M6的可能性，并制作样品对比测试了两种基材应用后的产品性能差异，最终得出采用LNB33和M6的产品在传输性基本处于同一水平的结论。待后续其他电性能、机械性能和环境性能等指标验证充分后，希望能获得整机厂的支持，得到上机使用的机会，采用民族品牌的产品，促进民族工业发展与进步。