尋找FR4 PCB基質(zhì)在連接方面的替代方案

可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著數(shù)據(jù)中心，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算市場(chǎng)的高性能/低功耗半導(dǎo)體芯片組的激增，傳統(tǒng)的FR4 PCB基質(zhì)的傳輸性能可能不再能滿(mǎn)足相應(yīng)的靈活性需求、吞吐量需求以及信號(hào)完整性需求。并不是絕對(duì)不能滿(mǎn)足，對(duì)于25Gbps以下的速度來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的FR4 PCB基質(zhì)的傳輸性能仍舊是可以覆蓋的。但速率一旦需要升級(jí)，且需要在25Gbps基礎(chǔ)上再拔高，就不得不轉(zhuǎn)而尋找FR4 PCB基質(zhì)在連接方面的替代方案。

應(yīng)運(yùn)而生的有線(xiàn)背板技術(shù)是替代FR4 PCB的高速連接方案里相當(dāng)重要的一項(xiàng)技術(shù)。在十余年的發(fā)展歷程中，有線(xiàn)背板技術(shù)在背板生態(tài)系統(tǒng)里一直獨(dú)具吸引力。

更高的電氣性能與更高的成本

FR4 PCB基質(zhì)在耐用性和機(jī)械性能上足夠優(yōu)秀，各項(xiàng)性能指標(biāo)也都能滿(mǎn)足一般工業(yè)用電子產(chǎn)品的需要，性?xún)r(jià)比更是沒(méi)得說(shuō)。在25Gbps以及更高速度下的連接應(yīng)用，都格外看重連接系統(tǒng)的電氣性能，但前提是系統(tǒng)速率能達(dá)到25Gbps，F(xiàn)R4 PCB基質(zhì)雖然性?xún)r(jià)比很高，但是不得不犧牲一些成本來(lái)找到性能更高的方法。目前除了光纖技術(shù)外，有線(xiàn)背板技術(shù)是用于大型計(jì)算和交換系統(tǒng)的少數(shù)替代方案之一。有線(xiàn)背板技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)PCB基質(zhì)，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，成本提高了5-10倍不等。

一些領(lǐng)先的PCB制造供應(yīng)商開(kāi)發(fā)了HDI高密度互連結(jié)構(gòu)，增加的互連密度允許增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度和提高可靠性。構(gòu)建這些極高層數(shù)的背板需要采用20-30個(gè)制造步驟，成本的增加帶來(lái)的是更高的性能。高密結(jié)構(gòu)有助于減少信號(hào)損失和交叉延遲的可能性，從而提高信號(hào)傳輸速率，所有這些都有助于提高高密度互連系統(tǒng)中的整體性能。

但高速與高密的取舍并不是所有供應(yīng)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(guān)系，接口密度越高信號(hào)間的串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)一定會(huì)隨之變大，最高信號(hào)速率難免就會(huì)受到束縛。目前國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商最高水平是能夠做到56Gbps，在大多數(shù)情況下，56Gbps的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)足夠。在56Gbps以上的112Gbps更高速率應(yīng)用領(lǐng)域，目前還是只有一些國(guó)際主流大廠(chǎng)能把握好超高速下連接與高密的平衡點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，比如TE、安費(fèi)諾、莫仕。實(shí)現(xiàn)了112Gbps高速率的大廠(chǎng)現(xiàn)在都在盡可能控制信號(hào)端子的短柱諧振，以提供更平穩(wěn)的線(xiàn)性傳輸速率，這種技術(shù)和工藝層面的領(lǐng)先在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里都會(huì)如此。話(huà)說(shuō)回來(lái)，在56Gbps及以下的應(yīng)用里，國(guó)產(chǎn)連接器目前的實(shí)力也相當(dāng)能打了。

靈活的背板配置與結(jié)構(gòu)帶來(lái)更高的信號(hào)完整性

借助有線(xiàn)背板技術(shù)，互連系統(tǒng)可擁有更多設(shè)計(jì)上的靈活性，為OEM提供更多的系統(tǒng)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(jiàn)。以這種方式布線(xiàn)通常是在背板空間內(nèi)連接子卡，可實(shí)現(xiàn)更高效的熱管理。不管哪一種各配置，使用電纜都能夠進(jìn)一步提升電氣性能和信號(hào)完整性。

領(lǐng)先的廠(chǎng)商能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)端子在高速差分對(duì)中水平排列的零斜切，這會(huì)大大簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)，還同時(shí)能提高信號(hào)完整性，節(jié)省了相當(dāng)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(shè)計(jì)，斜切的減少以及零斜切會(huì)減少了噪聲消除的相關(guān)工作并保證電氣裕度，不依賴(lài)噪聲消除這個(gè)能力在高速連接應(yīng)用中是至關(guān)重要的。充裕的電氣裕度從另一方面保證更高的PCB靈活性。

莫仕更喜歡采用無(wú)中間平面PCB的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，通過(guò)構(gòu)建無(wú)中間平面PCB的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)來(lái)改善氣流，這種做法在成本上更低廉一些。得益于工藝的領(lǐng)先，在Molex的背板系列里，無(wú)中間平面PCB的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)應(yīng)該是目前市面上能提供的密度最高的選擇之一。

有線(xiàn)背板的困擾

隨著設(shè)備數(shù)據(jù)速率從25Gbps到56Gbps到112Gbps，市場(chǎng)對(duì)有線(xiàn)背板的需求只會(huì)不斷增加。有線(xiàn)背板技術(shù)可獲得上面那些優(yōu)異的性能，但也并不是沒(méi)有困擾。

使用有線(xiàn)背板需要使用復(fù)雜的引腳標(biāo)測(cè)來(lái)了解每個(gè)電纜是如何從板到板進(jìn)行路由的。某些系統(tǒng)內(nèi)可能需要設(shè)置數(shù)千個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，復(fù)雜性可見(jiàn)一斑。電纜路由極為復(fù)雜，這可能會(huì)影響電氣和機(jī)械性能。要解決這一困擾需要OEM與連接提供商做大量的細(xì)節(jié)合作。

小結(jié)

作為替代傳統(tǒng)FR4 PCB基質(zhì)的傳輸?shù)挠芯€(xiàn)背板，有著很好的性能，也有一些應(yīng)用中的困擾，但我想歸根結(jié)底在選擇時(shí)最重要的還是成本。如果PCB能夠滿(mǎn)足信道預(yù)算，應(yīng)該沒(méi)有誰(shuí)使用更昂貴的有線(xiàn)背板。但是，如果要求體系結(jié)構(gòu)上的靈活，要求突破傳統(tǒng)PCB連接在25Gbps及更高速度條件下存在的信號(hào)完整性上的極限，那么有線(xiàn)背板昂貴的因素也就不重要了。但肯定的是隨著設(shè)備數(shù)據(jù)速率越來(lái)越高，市場(chǎng)對(duì)有線(xiàn)背板的需求只會(huì)不斷增加，如何解決有線(xiàn)背板在應(yīng)用時(shí)的困擾，也許連接器廠(chǎng)商通過(guò)對(duì)系統(tǒng)尺寸和信道長(zhǎng)度的持續(xù)優(yōu)化，會(huì)讓這一技術(shù)在成本上更具競(jìng)爭(zhēng)力。

審核編輯 ：李倩