高速连接器的选型

概述

随着电子通讯技术的快速发展,集成电路的封装与板上互连,对信号传输的带宽要求越来越高。与此同时,互连通道传输的速率越来越快,逻辑门的判决时间窗口也越来越小。因此,信息化技术的发展直接导致互连通道中的集成电路封装、传输线以及连接,从开始的“集总参数模型”,发展到了“分布参数模型”。相对于集成电路的封装,印制电路板上的传输线以及连接器,由于几何尺寸相对较大,更容易进入“分布参数模型”,即高速信号互连通道。PCB互连线、连接器以及布置在上的元件构成了电子设备互连系统的主要组成部分,信号通过印制板互连线以及连接器扩展到其他的印制板上,从而构成了整个传输系统。连接器作为整个互连系统的关键部位,已经成为提高系统传输速率的瓶颈,因此,研制满足高速率传输性能的连接器,是提升系统高速互连性能的主要手段,也是解决信息化系统高速互连问题的关键因素。

半导体技术的发展促使连接器生产企业设计研发更高速率的产品。高速连接器市场经历了新世纪暴增时代,这些连接器是为了迎接新一代应用的竞争而准备。在这个领域主要有Amphenol TCS、FCI、Molex、Tyco等厂商,他们均能供应25Gbps的连接器。

高速连接器是硬件系统的至关重要零件,一旦在系统设计初期被选上,很可能无法用别家的连接器替换。因为在10Gbps以上工作频率,若连接器的内部结构不同,传输性能会大不一样。有鉴于此,国外设备厂商与其主要连接器供应商达成协议,要求连接器供应商共享设计和生产方面的知识产权,在设计和生产上具备足够的一致性以保证界面的互换性及高速传输的兼容性。这种要求连接器供应商之间共赏连接器技术的做法是史上少见的,创了历史先河,很可能是未来连接器产业的发展趋势。

材料和产品结构技术的发展拓宽了电缆组件的带宽和提高电缆组件的传输速度。采用被动和主动的信号调理技术,铜件电缆能够提供速度高于10Gbps,距离高达24m且性价比优越的方案。

通过近二十年的产品开发,形成了以泰科、安费诺、莫仕、FCI、ENRI等为主的高速连接器生产厂商,通过对基础理论、材料研发等技术创新,完成了诸如HM2mm、ZD、ExaMax、LRM等高端高速连接器的普及应用,如下图所示连接器信号传输速率由2.5Gbps逐渐到12.5Gbps,再攀升至25Gbps甚至是40Gbps。

VITA高速连接器
ZD高速连接器
LRM高速连接器

在信号完整性设计方面,其具有完备的理论分析基础,如《电磁场与微波技术》、《高速信号传输》、《高速数字系统的信号完整性和辖射发射》等经典著作。拥有多种的高速信号仿真分析软件,如Keysight的ADS等。以及完备的信号完整性测试平台,如信号发生器、频谱分析仪、矢量网络分析仪、示波器、时域阻抗测试仪、误码率分析仪以及、等配套分析软件等。

选型

高速连接器的基本性能可分为三大类:即机械性能、电气性能和环境性能。

1.机械性能

机械性能就连接功能而言,插拔力是重要地机械性能。插拔力分为插入力和拔出力(拔出力亦称分离力),两者的要求是不同的。在有关标准中有最大插入力和最小分离力规定,这表明,从使用角度来看,插入力要小(从而有低插入力LIF和无插入力ZIF的结构),而分离力若太小,则会影响接触的可靠性。接插件的插拔力和机械寿命与接触件结构(正压力大小)接触部位镀层质量(滑动摩擦系数)以及接触件排列尺寸精度(对准度)有关。

另一个重要的机械性能是接插件的机械寿命。机械寿命实际上是一种耐久性(Durability)指标,在国标GB5095中把它叫作机械操作。它是以一次插入和一次拔出为一个循环,以在规定的插拔循环后接插件能否正常完成其连接功能(如接触电阻值)作为评判依据。

2.电气性能

电气性能接插件的主要电气性能包括接触电阻、绝缘电阻和抗电强度。

①接触电阻高质量的电连接器应当具有低而稳定的接触电阻。接插件的接触电阻从几毫欧到数十毫欧不等。

②绝缘电阻衡量电接插件接触件之间和接触件与外壳之间绝缘性能的指标,其数量级为数百兆欧至数千兆欧不等。

③抗电强度或称耐电压、介质耐压,是表征连接器接触件之间或接触件与外壳之间耐受额定试验电压的能力。

④其它电气性能。电磁干扰泄漏衰减是评价连接器的电磁干扰屏蔽效果,电磁干扰泄漏衰减是评价接插件的电磁干扰屏蔽效果,一般在100MHz~10GHz频率范围内测试。对射频同轴连接器而言,还有特性阻抗、插入损耗、反射系数、电压驻波比(VSWR)等电气指标。由于数字技术的发展,为了连接和传输高速数字脉冲信号,出现了一类新型的连接器即高速信号连接器,相应地,在电气性能方面,除特性阻抗外,还出现了一些新的电气指标,如串扰(crosstalk),传输延迟(delay)、时滞(skew)等。

如果选用的连接器串扰非常大,那么在设计的时候,即使在传输线上做的再好,在产品测试时,其误码率仍有可能达不到要求。很多时候厂家提供的参数是在他们设计和生产的条件下得到的,推荐用户使用一般不会出现什么太大的问题。但是如果在设计和生产的时候,使用的过孔不同或是材料不同或是生产工艺不同,这就极有可能出现问题。这个时候如果通过自己公司本身的设计和生产工艺验证过之后,没有任何问题才是最保险的。

某连接器针对插入损耗,用户测试数据和厂商提供数据的对比图

从结果上来看,在12.5GHz时,相差1dB。即便使用好一点的PCB基材,仍达到将近2inch的走线距离。当然,这并不是所有的连接器都是如此这种情况,有的还是非常接近。

3.环境性能

高速连接器的环境性能主要包括耐温性、耐湿性和耐冲击性,其余防水性、耐霉菌性、耐盐雾性、气密性等特殊要求将在后续章节进行讨论。

①高速连接器环境性能的耐温性,由于高速连接器在汽车电路中使用时容易在接触点产生热量和温度升高,这就要求高速连接器具有耐高温性。目前,连接器的最高工作温度为200℃。同时,在某些特殊情况下,高速连接器将用于低温环境,因此高速连接器的耐低温性也较好。目前,高速连接器的最低工作温度为-65℃。

②高速连接器环境性能的耐湿性,高速连接器的金属部件在潮湿的环境中容易腐蚀,在某些情况下,高速连接器可能需要在潮湿的环境中工作,因此,耐湿性已成为高速连接器环境性能的重要性能。一般来说,当相对湿度为90%~95%,温度为+40±20℃时,合格的高速连接器需要连续正常工作至少96小时。

③高速连接器的环境性能耐冲击,耐冲击性是高速连接器环境性能的重要性能指标,代表连接器的坚固性。在检测过程中,应检测连接器的峰值加速度、电气连续性中断时间等。

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