如何设计高速连接器？

若华

随着数据传输率的提高，信号频宽不断增加，信号上升沿时间继续减小。频宽越宽，上升沿时间越短则信号完整性问题越突出，我们看看连接器面临怎么样的高速串联信号的应用挑战。
由于网络的高速发展，如在线视频租赁的蓬勃兴起（据统计在线视频租赁占据网络信息传输量的50%），电子工业总存在提速的需求，每两年数据传输量率就要翻一翻, 这不见体现在网络的传输主线也反映在芯片的吞吐量。
为了适应数据传输不断提速的需求，每个高速串联协议，如PCIe, SATA, SAS, Ethemet, USB,和Infiniband都采用每更新一代传输率增加一倍的技术路线。如果你去年应对2.5Gb/s, 那你明年就要准备好去挑战5Gb/s.
理想的高速传输通道很难设计的原因之一是电磁波信号与导体和绝缘介质的互动的这一根本属性，换句话说，是由于麦克斯韦方程所致.
随着数据传输率的提高，信号频宽不断增加，信号上升沿时间继续减小。信号完整性问题越突出，特别是对于连接器这种结构的元件来说---连接器的结构注定无法实现传输通道的连续性。
幸运的是，连接器不长，故电磁波在连接器体内转化为热量的损耗不大，但是连接器引起的另外3大基本问题却可能甚为严重，这些问题是由于不阻抗连续引起的回波损耗，来自别的通道的串扰和由于非对称性产生的共模转换.
我们用一个重要的参数来描述由于阻抗不连续引起多少信号被反射，这个参数被称为反射系数或回波损耗，这是反射信号与入射信号的比例，常用dB表示，下图是回波损耗及其他常见的连接器高速信号指标的示例。

有图可见，频率增加回波损耗增大，那多大的回波损耗可接受呢？当回波损耗大于大约-13dB时，反射信号开始影响被传输的信号，这是用于定义连接器频宽的常用规格。
设计制造较高频率的连接器，不仅仅要考虑连接器还要考虑与连接器连接的PCB导线及焊接连接器的焊盘。你不仅要优化连接器的结构还要考虑包括整个与连接器连接的引线部分。
串扰是关于使差分对的信号远离另一差分对的电磁场，不幸的是，连接的高密度化趋势是串扰的问题更为严重。
方案之一是在信号pin的两侧增加地线的回路pin或地线板。近端串扰系数和远端串扰系数是描述通道间串扰的指标。
在高速串联应用领域里最后一个要尽量避免的现象是共模转换。当我们在高频通道传输差分信号时，若差分信号对存在任何不对称(现实中不可能完全对称)的因素，这种不对称的部分会转换成共模信号。
结果是部分差分信号损失，损失的能量部分被辐射部分在信号通道游荡成为接收端的杂音。
最常见的共模非对称性是差分对间的时延差。例如，在28Gb/s的频道，单位间隔是36皮秒。对整个通道来说，差分对间的时延差不应超过单位间隔的15%，即不应超过5皮秒---这大致相当于0.75mm的长度，但能分配给连接器的只有很小一部分。
信号完整性仅仅是连接器设计要考虑的一方面，还有长期稳定性的要求，工艺性的要求，插拔力的要求，载流能力(承受电流大小)的要求，空间密度的要求，焊接炉温的要求，甚至PCB焊盘的要求。摩尔定律的存在使连接器高频方面的设计像打地鼠一样，没法做到一劳永逸，一个连接器的指标改善好，可能另一个指标的问题更严重！
鉴于高速连接器产业目前的状况及发展趋势，高速连接器的厂家不得不寻求优越的信号完整性的工程技术力量或成立自己的高速信号团队。
在高端连接器产品设计领域，厂商要结合客户的pcb来优化高速连接器的性能。为了提升竞争力，有不少连接器厂家大力强化信号完整性的工程力量来协助客户解决高速传输的问题。
当数据传输率高于5Gb/s, 连接变得并不简单，要实现可接受的传输性能，在设计的开始要对信号完整性问题给予充分的重视.




那么如何设计连接器呢？
连接器是一种工业产品，连接器设计有工业产品设计的共性。连接器设计要完成创效益，出特色，树品牌的使命，需做到了解连接器市场，精准定义客户需求，所设计的连接器性能优越，外形美观，产品工艺性好，供应资源友好，争取专利，避免知识产权纠纷…,故连接器设计不可避免地涉及，形成一个庞大复杂的系统，由于篇幅的限制在这里主要阐述连接器设计如何做到性能优越，工艺性好。产品设计一个突出的特点是，受诸多因素牵制需平衡众多参数。连接器设计也不列外。




下面举个列子说明如何正确设计连接器，假如你面临设计多路高频较大功率的连接器的任务，在设计连接器弹片（端子），你需要平衡的因素（参数）包括但不局限于：1，弹片的工艺性（如R/T比，落料宽度与材料厚度比，冲模精度）；2，电镀的工艺性（如料带，电镀区域）；3，包装的工艺性（如产品的方向性），4注塑的工艺性（如脱模结构，塑料零件的最小壁厚）5，组装的工艺性（如组装定位）6，影响电性能的因素（参数）：A，影响传输性能/特征阻抗(电磁场分布）：端子的外形（即端子的每个尺寸）；端子间的间距；端子间的相对位置；端子的材质（主要是导电率）；端子的镀层（是否含有磁性物质如铁，钴，镍）；端子间的绝缘介质（如空气，塑料）的介电常数；绝缘介质的形状和相对位置...---SI的问题；还有连接器的周围环境（电磁场）对连接器的影响及连接器对周围环境的影响---EMI/EMC的问题。 解决传输性能问题往往要用先进的分析工具（传统的计算方式一般只能解决极其简单的结构，而用实验法摸索，改进需大量的时间和资源），如Ansoft HFSS，计算出这些参数是如何影响电磁场分布，优化出所需的端子方案，；B，影响载流能力（电流大小）：正向力；电镀的规格；端子的材质；接触电阻；体电阻；端子的截面大小...要解决好载流能力的问题，需具备触点物理学，连接器电镀设计的知识，如对每种电镀规格来说，正向力与接触电阻有一定量化关系，载流能力与接触电阻也有一定量化关系；7，影响机械性能（插拔寿命，插拔力）：端子的形状（即端子的每个尺寸）；端子的材质；连接器对配后端子的干涉量（受固定端子的塑胶的孔位影响）；工作环境的温度...要想在设计阶段了解连接器端子的插拔寿命和插拔力，就一定要分析出整个端子的应力应变状态，这也是非常复杂的工程技术问题，往往也要做有限元分析（FEA），常见的软件有Abaqus,Ansys等。根据分析出来的应力应变状态判断是否会发生材料屈服（降服），屈服量会有多大比例，还要考虑工作温度是否会使端子发生较明显的应力释放（温度与每种铜合金的应力释放比例存在一定的量化关系），再看看正向力对镀层的磨损有什么样的影响（正向力的大小，镀层规格，工作环境和磨损机制存在一定的关系---详见触点物理学）… 在完成电性能，机械性能其他性能的优化后还要将这些性能综合一起和成本，工艺等因素再评估， 因为有的因素（参数）不仅影响电性能也影响机械性能，工艺性，成本等。有时在太多的牵制条件下根本就无法拿出可行的方案，你不得不改变原来的方案，甚至放弃整个产品开发。这就反映出产品设计（连接器设计也不列外）的另一个突出的特点，反复！连接器设计无法避免反复，即使是简单的连接器设计。我们在连接器设计开发管理中一定要重视设计中反复的特点，否则就无法建立有效，效率高的连接器设计开发管理体系：连接器设计过程中往往设置管控点而分成几个阶段，如立项，概念设计，开发设计，量产导入阶段。设置管控点有利于加强连接器设计管理，方便产品设计评估，产品设计验证，产品设计确认。设置管控点是有学问的，管控点往往在技术密度大的阶段之间，在重大决定之前，否则影响连接器设计开发效率和质量以及资源的有效利用。为了提高连接器设计评估的质量和效率，好的连接器设计开发系统往往建立连接器设计事项点检（checklist）表, 如，是否立项，是否签订保密协议，是否拟制专利申请，是否需采用现有的专利技术，是否建立设计目标…好的连接器设计开发系统也往往建立具体设计方案点检表, 如表贴设计点检表，线缆crimp连接点检表，冲模设计点检表，塑模设计点检表，产品延伸设计点检表，环保设计（DFE）点检表。

下面再谈谈连接器设计内容和连接器设计应具备什么能力. 连接器首先是机电产品, 故连接其设计离不开机械和电气电子的基础知识, 如抗拉强度, 屈服强度, 应力应变, 摩擦磨损等基本概念; 再如电阻，电流，电压，电容, 电感，特征阻抗, 传输线，串扰，损耗等基本电气电子概念. 连接器是一种工业产品, 故产品设计的基本手段也必不可少, 如机械制图的知识, 制图工具(2D, 3D), 公差分析，形位公差；产品设计要精准掌控产品在应用中/工作中的状况, 故无法避免要对产品进行分析计算, 很多工程技术问题的计算是很复杂的, 用传统的方式几乎无法解决, 有限元分析/仿真技术具有强大的计算能力, 在现代的产品设计中几乎是必须的工具. 连接器设计中常用的分析有应力应变分析(这是机械设计最基本的分析之一)，模流分析, 电磁场分析, 电流分布分析，散热分析等. 我们不妨将连接器设计分成如下内容 – 其实在连接器设计中这些内容是相互影响, 相互制约, 无法分割的, 在这里为了方便阐述暂且从不同方面来表述.

• 连接器的界面设计. 这牵涉到连接器的工作原理，我们要清楚金属界面的微观结构特点， 接触电阻的本质是什么, 接触电阻是如何产生的，有哪些失效机理，如何避免失效, 在不同正向力下是如何变化的. 我们要掌握摩擦与磨损的本质, 摩擦系数受哪些因素影响，如何变化，磨损有哪些方式和特点，如何降低磨损(提高连接器寿命)
• 连接器电镀与涂层的设计. 我们要掌握连接器电镀的作用及其作用原理(不同镀层作用原理不一样), 各种镀层的失效机理, 各种镀层的对正向力的要求及如何选择镀种，电镀厚度, 电镀规格.
• 连接器的弹片设计. 首先我们要明白弹片的作用，才能提出弹片的要求，要实现弹片的要求要了解各种弹片材料的性能: 机械性能，加工性能，电气性能，物理性能(热性能).我们应当懂得如何应用有限元分析工具得到满足机械性能（如弹片的寿命）, 电气性能(如弹片的载流能力)，散热性能, 高频性能(如弹片结构如何影响连接器的传输性能).
• 连接器塑胶外壳的设计 我们要掌握连接器的塑胶外壳的作用及要求，熟悉各种连接器塑胶外壳的材料特性以满足连接器对焊板性能的要求. 应用应力分析工具和模流分析工具得到满足机械强度要求, 注塑性能要求, 结构合理的塑胶外壳.
• 连接器失效机理. 我们要清楚连接器存在的各种失效机理(如腐蚀引起的各种失效, 应力松弛引起的失效, 永久变形引起的失效, 磨损引起的失效) 及其各种预防措施或抵御措施,才能实现以尽可能低的成本有效避免失效的出现.
• 连接器与电线电缆连接的设计 我们首先要明白连接器与电线电缆连接的基本要求, 如机械强度的要求, 电气性能要求（如载流能力）, 要了解各种电线电缆的结构, 性能(如是否阻抗受控电缆)，功能， 我们要掌握连接器与电线电缆的连接方式(如crimp和IDC)及各种连接方式的优缺点及如何设计连接方式，如IDC端子的材料如何选择，料厚如何选择, 槽宽如何选择.
• 连接器与PCB的连接设计 我们要清楚PCB的制造工艺, PCB的结构特点, PCB的性能要求，连接器与PCB的机械连接方式, 如何设计连接器端子与PCB的连接(如compliant pin的设计); 连接器与PCB的焊接方式及特点. 我们要掌握如何设计连接器端子的结构，如何决定焊盘尺寸，如何计算焊锡用量及焊点的失效机理和预防措施.
• 高频连接器的设计 我们要掌握什么情况下要进行高频信号分析或多高的频率需注意信号的传输问题，连接器常用材料的电磁特征，电磁波的传播特点, 传输线理论，连接器和PCB经常采用哪些传输线结构，这些结构的传输性能如何，为了提高连接器的传输性能应注意什么事项及采用哪些方法， 有哪些指标衡量连接器的传输性能.
• 电源连接器的设计 我们要掌握如何准确区分信号端子还是电源端子, 如何进行电源连接器的温升测试，如何计算连接器的各项电阻，电源端子的设计依据，如何确定电源端子的载流能力，如何确定界面所需的正向力，如何选择电源端子的镀层. 电源分配方式对如何影响端子的设计.
• 连接器的测试与可靠性 我们应该清楚连接器的测试种类，每种测试的目的，测试原理- 失效机理是什么, 应用环境如何及连接器的性能要求如何/允许的性能退化程度. 什么是鉴定测试，鉴定测试如何分组，什么是可靠性测试，可靠性测试如何分组，如何进行可靠性测试，可如用何靠性测试数据评估连接器的可靠性. 连接器有哪些常见的失效模式， 产生这些失效模式的原因是什么，如何降低连接器的失效.
  

      至此大家可能会说，是否将连接器设计的难度夸大，其实不然，连接器设计本来就是一个纷繁庞杂的系统，需要大量的资源。

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易阳

其中提到  这些问题是由于不阻抗连续引起的回波损耗，来自别的通道的串扰和由于非对称性产生的共模转换.

这个就需要去测量实验了。

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