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        替代FR4 PCB的高速連接,有線背板成本與性能的博弈

        Robot Vision ? 來源:電子發燒友網 ? 作者:李寧遠 ? 2022-06-21 08:00 ? 次閱讀
        可以預見的是,隨著數據中心,企業網絡和高性能計算市場的高性能/低功耗半導體芯片組的激增,傳統的FR4PCB基質的傳輸性能可能不再能滿足相應的靈活性需求、吞吐量需求以及信號完整性需求。并不是絕對不能滿足,對于25Gbps以下的速度來說,傳統的FR4 PCB基質的傳輸性能仍舊是可以覆蓋的。但速率一旦需要升級,且需要在25Gbps基礎上再拔高,就不得不轉而尋找FR4PCB基質在連接方面的替代方案。

        應運而生的有線背板技術是替代FR4 PCB的高速連接方案里相當重要的一項技術。在十余年的發展歷程中,有線背板技術在背板生態系統里一直獨具吸引力。

        更高的電氣性能與更高的成本

        FR4 PCB基質在耐用性和機械性能上足夠優秀,各項性能指標也都能滿足一般工業用電子產品的需要,性價比更是沒得說。在25Gbps以及更高速度下的連接應用,都格外看重連接系統的電氣性能,但前提是系統速率能達到25Gbps,FR4 PCB基質雖然性價比很高,但是不得不犧牲一些成本來找到性能更高的方法。目前除了光纖技術外,有線背板技術是用于大型計算和交換系統的少數替代方案之一。有線背板技術相對于傳統PCB基質,根據不同的結構與設計,成本提高了5-10倍不等。

        一些領先的PCB制造供應商開發了HDI高密度互連結構,增加的互連密度允許增強信號強度和提高可靠性。構建這些極高層數的背板需要采用20-30個制造步驟,成本的增加帶來的是更高的性能。高密結構有助于減少信號損失和交叉延遲的可能性,從而提高信號傳輸速率,所有這些都有助于提高高密度互連系統中的整體性能。
        (圖源:莫仕)

        但高速與高密的取舍并不是所有供應商都能做好,高速與高密之間,存在著不可避免地相互制約的關系,接口密度越高信號間的串擾風險一定會隨之變大,最高信號速率難免就會受到束縛。目前國內廠商最高水平是能夠做到56Gbps,在大多數情況下,56Gbps的數據速率已經足夠。在56Gbps以上的112Gbps更高速率應用領域,目前還是只有一些國際主流大廠能把握好超高速下連接與高密的平衡點,并實現量產化,比如TE、安費諾、莫仕。實現了112Gbps高速率的大廠現在都在盡可能控制信號端子的短柱諧振,以提供更平穩的線性傳輸速率,這種技術和工藝層面的領先在相當長一段時間里都會如此。話說回來,在56Gbps及以下的應用里,國產連接器目前的實力也相當能打了。

        靈活的背板配置與結構帶來更高的信號完整性

        借助有線背板技術,互連系統可擁有更多設計上的靈活性,為OEM提供更多的系統配置。各子卡并行安裝是一種常用的背板配置,此外,中板/正交配置以 90 度方向安裝子卡也很常見。以這種方式布線通常是在背板空間內連接子卡,可實現更高效的熱管理。不管哪一種各配置,使用電纜都能夠進一步提升電氣性能和信號完整性。

        領先的廠商能夠實現信號端子在高速差分對中水平排列的零斜切,這會大大簡化電路板設計,還同時能提高信號完整性,節省了相當大一部分電路板空間。在保證靈活度上做得最好的可以參考TE的C形、360°接地設計,斜切的減少以及零斜切會減少了噪聲消除的相關工作并保證電氣裕度,不依賴噪聲消除這個能力在高速連接應用中是至關重要的。充裕的電氣裕度從另一方面保證更高的PCB靈活性。
        (圖源:TE)

        莫仕更喜歡采用無中間平面PCB的開放式結構,通過構建無中間平面PCB的開放式結構來改善氣流,這種做法在成本上更低廉一些。得益于工藝的領先,在Molex的背板系列里,無中間平面PCB的開放式結構應該是目前市面上能提供的密度最高的選擇之一。

        有線背板的困擾

        隨著設備數據速率從25Gbps到56Gbps到112Gbps,市場對有線背板的需求只會不斷增加。 有線背板技術可獲得上面那些優異的性能,但也并不是沒有困擾。

        使用有線背板需要使用復雜的引腳標測來了解每個電纜是如何從板到板進行路由的。某些系統內可能需要設置數千個點對點連接,復雜性可見一斑。電纜路由極為復雜,這可能會影響電氣和機械性能。要解決這一困擾需要OEM與連接提供商做大量的細節合作。

        小結

        作為替代傳統FR4 PCB基質的傳輸的有線背板,有著很好的性能,也有一些應用中的困擾,但我想歸根結底在選擇時最重要的還是成本。如果PCB能夠滿足信道預算,應該沒有誰使用更昂貴的有線背板。但是,如果要求體系結構上的靈活,要求突破傳統PCB連接在25Gbps及更高速度條件下存在的信號完整性上的極限,那么有線背板昂貴的因素也就不重要了。但肯定的是隨著設備數據速率越來越高,市場對有線背板的需求只會不斷增加,如何解決有線背板在應用時的困擾,也許連接器廠商通過對系統尺寸和信道長度的持續優化,會讓這一技術在成本上更具競爭力。
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