陈玉峰 胡俊祥 赵辉
中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春，130062
摘要：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。
关键词：高速连接器；XHD2；器件设计；组装工艺；质量控制
引言
近年来，随着高速连接器飞速发展，其产品的高频测试也越来越重要，各大连接器厂家对产品测试的研究愈发深入，测试变得越来越重要。测试高频性能时，需要使用VNA矢量网络分析仪、TDR等高频测试设备，这些设备的端口都是cable加同轴SMA公头，而高速连接器端接方式多为鱼眼压接式、SMT表贴式，无法直接与测试设备相连，这时我们需要使用一块PCB夹具作为转接，一边为SMA母头与设备端口相连，一边通过过孔或者焊盘与连接器相连，这样形成一条完整的回路。产品测试完成后测试结果包含(PCB夹具+高速连接器)的指标，而PCB夹具的指标是多余的。这时，我们需要应用去嵌入技术，将PCB夹具的指标去掉，只留下我们的产品高速连接器的指标。
1高速连接器简介
随着通信技术快速地从3G、4G过渡到5G，印制电路板之间的板间互联传输速率亦从10Gbps、25Gbps迅速攀升至56Gbps、112Gbps[。高速连接器作为板间互联的关键器件，其封装更新、高密度化与传输性能可谓是日新月异。以TE、Amphenol、Molex、FCI等为代表的连接器厂商相继推出了Whisper、Xcede、Examax、Impulse、Paladin等背板高速连接器[1]，以及SFP（SmallForm-factorPluggable，光信号接口器件）、QSFP（QuadSmallForm-factorPluggable，四通道SFP接口器件）、QSFP-DD等光口高速连接器，正式开启了112G商用化进程。高速连接器在传输速率提升的同时，器件引脚尺寸更细，引脚密度更大，给板级组装工艺带来了新的挑战。本文选择1款典型的背板高速连接器XcedeHD2（下文简称XHD2）为代表，对其板级组装工艺进行试验验证，并结合其生产失效案例进行分析与预防。
2 XHD2连接器典型失效预防措施
2.1优化高速背板连接器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。
2.2线缆的优化与选择
对不同规格的线缆进行仿真。性能更好的线缆可显著降低插入损耗，应用中应根据线缆组件支持的传输速率选择合适的线缆。在线缆本身的测评及选用时，除了直接关注线缆自身插入损耗指标时，一些如阻抗、时延差等和插入损耗相关联的指标也需要进行评估。各项指标均选用最优时，组件的插入损耗才能达到最小。
2.3材料选择规避
a．使用空窗小的玻璃纤维布。也就是大家说的扁平玻璃布，开纤布(玻纤打散)等。从源头避免由于玻璃纤维布空窗处有效介电常数波动的存在。例如:1067/1078/2116等。b．使用多张玻璃纤维布叠加，降低露窗概率。方法是可行的，除非介质较厚本来就需要多张PP叠加，否则，个人认为不如第一种。一来是成本、二来玻纤布超过三张制造时容易滑片。c．使用低介电常数玻璃纤维布，降低玻璃纤维和环氧树脂的介电常数差，减小空窗内和空窗外的有效介电常数差。注意:低介电常数玻璃纤维布通常只配备超低损耗板材。也就是常说的高速板材，成本高。
2.4 XHD2组装工艺建议
通过XHD2高速连接器的组装工艺试验与生产失效案例分析，总结其工艺要点覆盖来料包装设计、人工插件动作、压接曲线选择与压接工装设计等四个方面。在落实优化举措后，XHD2压接合格率达到99.9%。本文总结成功经验并进行拓展，对XHD2及类似高速连接器的组装工艺提出以下建议：1）来料的质量非常关键，在包装方面，必须对连接器进行防护。通过将卡槽底部挖空设计，避免连接器引脚与包装干涉；包装卡槽进行泡棉填充，避免连接器在周转运输过程中晃动；提高包装的强度，避免包装变形影响连接器引脚。2）在没有预插机自动插件的情况下，建议人工插件动作进行规范，避免因取放、插件角度、施力不稳定造成引脚变形。
2.5焊接及剥线等工艺控制
焊接部位焊锡堆积过多，易造成焊点处阻抗值
偏低。产品焊锡量的多少和钢网尺寸紧密相关，因此对钢网的结构参数进行了优化。（1）将钢网厚度由1.3mm更改为1.0mm，显著减小了涂覆到焊盘上的锡量；（2）在保证焊接可靠性的前提下，减小钢网上各个pin脚的大小也能减小焊脚处锡量，提升焊点阻抗，进而减小损耗。剥线长度不一致会造成Skew较差和阻抗失配而引入插损谐振。因此，在新产品的改进过程中，采用激光剥线技术，严格保证剥线长度和剥线质量。此外，焊线及连接器表贴也采用机器焊接，提升焊点一致性，避免手工焊接带来的偏差。
结束语
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。
参考文献
[1]李敏,冯晓东,刘陈.高速串行互连系统速率提升的方法研究与实现[J].电子测试,2019(21):62-64.
[2]王芳,朱凯影,王云良.高速背板连接器智能生产系统设计关键技术[J].常州信息职业技术学院学报,2019,18(05):24-26.
[3]刘家华,张梁娟,周吉.VPX连接器接触和插拔特性分析研究[J].机械设计与制造,2019(08):53-57.
[4].56Gbit/s高速连接器[J].军民两用技术与产品,2019(06):44.
[5]张荷爽.10Gbps高速连接器的仿真、测试及优化[D].北京邮电大学,2019.