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Connector Design for Ultra-high Speed Over Copper
Winchester Electronics / Bill Keller先生，业务开发部经理
通过理解和处理互连路径中所有的“瓶颈”问题，即从信号被线路板上的某一驱动程序所发送开始，直到其抵达另一线路板上的接收器为止，设计工程师能够利用初现的新技术。单件互连设计不只打破5Gbps这个速度阻力位，而且在超过10Gbps的数据传输率环境下也能很好地运行。
Connector-X是一个单件、板-到-板、采用小型端接件的互连系统，主要应用包括所有电信、数据通信、高端计算、大量数据存储，以及所有需要Gbps传输速度的互连系统。但是到目前为止，虽然用户端的设计工程师一直在寻找能够满足Gbps应用的方案，能够让大家普遍接受的连接方案依然很少。为了在铜线上实现超高速数据传输，我们必须完全理解所有设计电路路径中的“瓶颈”，以及某些“非传统思考”。
在最新的连接器设计中，PCB通孔的电镀质量竟成为影响互连通路的信号完整性的最大因素。即使连接器的阻抗值和串扰值很小，也不能突破5Gbps这个数据率上限。在复杂的多层PCB中，通孔镀层相当于一个电容器，极大地限制了数据的吞吐量。镀金通孔的直径越大，电容因素和电感因素的影响就越明显，这就降低了适合这些连接器的信号传输速度。
迎接挑战
Winchester电子公司目前设计了一个传输速率达数个Gbps的互连系统，因此理解在整个互连路径设计中应该克服的所有电气和机械障碍。在系统设计过程中，我们咨询了从元件工程师到系统机构工程师在内的技术专家，他们曾经开发了多种多样的系统应用。我们对专家的采访包括：用以支持互连技术蓝图的观点，在高端宽带用新型高密、高速连接器设计要点方面的创新观点。
图1. XCELL连接器的数据率高达2.5Gbps
“跨接功能”设计人员的重点在于寻找解决信号完整性问题的方案。首先，设计人员调查了过去在该领域所取得的成功(见图1)。这些产品为高密、高速的两件式互连产品，支持2.5Gbps的数据传输，主要优势在于其接地接触件非常靠近信号插针，具有良好的机械坚固性。另外，该产品提供了一个设计有余量的路由通道，允许在连接器区域内路由两条0.012"线路。这有助于减小普遍存在于高速传输应用中的肌肤效应。这样一来，为了开发一种更高速度的传输系统，设计人员还必须克服物理及电气方面的局限性。然后，再对连接器的电气性能进行个性化，其目标是提高数据传输率，优化串扰、传输延迟、阻抗等参数。
设计人员的研究发现，连接器接点的几何形状、可分离接口和通孔的镀金层等的变化，都是必须考虑的问题。通过对许多不同的机械包装替代方案进行评估之后，决定开发单件式的板-到-板互连方案，其中连接器与PCB之间的终接采用密集型接点结构。
典型终接技术
目前，其它连接器制造商也在不断努力，寻找能够克服某些或全部有关信号完整性的问题，现有的一些主流措施有通孔、压接、屏蔽，以及两件式连接器等技术。在压接技术方面，连接器的接点安装于背板和母板PCB上的镀金通孔之内。这些传统的压接连接器使用镀金通孔，以提供机械完整性，以及PCB之间的电气连接。遗憾的是，通孔技术限制了所有与板-到- 板互连系统有关的数据传输率。虽然这些压接、屏蔽、两件式等连接器等大幅改良了各个独立元器件的性能，但是镀金通孔却变得成高速传输技术的“瓶颈”。
图2. 符合性插针技术与压缩终接技术的比较
小型终接技术
通过压缩弹簧将连接器接点终接于PCB表面的焊盘，通孔的直径就可以大幅度减少。按照典型的符合性插针终接要求，最终通孔的直径应该在0.018-0.026"之间。但是，单件互连系统要求的通孔直径的最大值为 0.012"(见图2)。实际上，PCB的通孔可以通过电镀进行缩小甚至封闭，这就消除了所有与宽高比有关的问题，特别是对较厚、复杂的背板PCB来说。压缩安装技术也允许设计工程师充分利用盲插、埋线和微线径等新技术。
其它优势
单件互连系统可以与市面上的CompactPCI和专用总线混合使用，以便满足业界对密度和速度的总体需求。通过系统自身具有的灵活性，设计工程师就可以得到他们所需要的传输速度。由于特别用途的高速PCB材料具有出色的介电特性和低损耗等特点，允许较高的总体速度，因此能有效地提高数据传输率。然而，对于新型系统来说，高速PCB板材料是不常用的。工程师们可以先设计一个单件互连中系统，然后转化成标准的FR-4材料，而不是高速层压板(其成本是普通FR-4材料的6-9倍，这样就可以节约开支。
结论
通过理解和处理互连路径中所有的“瓶颈”问题，即从信号被线路板上的某一驱动程序所发送开始，直到其抵达另一线路板上的接收器为止，设计工程师能够利用初现的新技术。单件互连设计不只打破5Gbps这个速度阻力位，而且在超过10Gbps的数据传输率环境下也能很好地运行。为了验证各项具体的性能，应该设计并建立一个测试系统，其连接器应该插接在母板和背板上。10Gbps数据传输率环境下，整个互连通路的所测量到误码率为1bit。测试结果包括连接器、通孔、终接焊盘和大约14.0"信号路径。 |
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