研究背景

隨著電子通訊技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路的封裝與板上互連，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)膸捯笤絹?lái)越高。與此同時(shí)，互連通道傳輸?shù)乃俾试絹?lái)越快，邏輯門(mén)的判決時(shí)間窗口也越來(lái)越小。因此，信息化技術(shù)的發(fā)展直接導(dǎo)致互連通道中的集成電路封裝、傳輸線以及連接，從開(kāi)始的“集總參數(shù)模型”，發(fā)展到了“分布參數(shù)模型”。相對(duì)于集成電路的封裝，印制電路板上的傳輸線以及連接器，由于幾何尺寸相對(duì)較大，更容易進(jìn)入“分布參數(shù)模型”，即高速信號(hào)互連通道。PCB互連線、連接器以及布置在上的元件構(gòu)成了電子設(shè)備互連系統(tǒng)的主要組成部分，信號(hào)通過(guò)印制板互連線以及連接器擴(kuò)展到其他的印制板上，從而構(gòu)成了整個(gè)背板系統(tǒng)。連接器作為整個(gè)互連系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，已經(jīng)成為提高系統(tǒng)傳輸速率的瓶頸，因此，研制滿足高速率傳輸性能的連接器，是提升系統(tǒng)高速互連性能的主要手段，也是解決信息化系統(tǒng)高速互連問(wèn)題的關(guān)鍵因素。

Molex Impel

上世紀(jì)九十年代初，在信息技術(shù)的強(qiáng)勁推動(dòng)下，用于連接和傳輸高速數(shù)字信號(hào)的高速連接器開(kāi)始發(fā)展起來(lái)了。當(dāng)前，國(guó)外的高速連接器傳輸速率己經(jīng)達(dá)到10Gbps，同時(shí)正在向40Gbps發(fā)展。早在2005年，世界著名連接器生產(chǎn)廠商FCI就與朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室合作，利用FCI的高速連接器AirMaxVS和貝爾實(shí)驗(yàn)室的信號(hào)傳輸架構(gòu)成功的實(shí)現(xiàn)了高達(dá)25Gbps傳輸速率的信號(hào)傳輸，再次提高了高速連接器的性能。

在信息化裝備技術(shù)的推動(dòng)下，通訊、鐵路交通、宇航、醫(yī)療儀器、高端武器等領(lǐng)域的數(shù)字信息化裝備將會(huì)對(duì)高速連接器產(chǎn)品的性能提出更高的要求，諸如高密度、模塊化、高可靠、多功能等方面，以滿足系統(tǒng)傳輸?shù)哪K化、集成化、耐環(huán)境、抗干擾等各種應(yīng)用需求。以往在電連接器的開(kāi)發(fā)最主要考慮因素為機(jī)械特性，如插拔力以及腳位平整度等。其次再考慮連接器的電氣特性，如絕緣電阻、額定電流、接觸電阻等。但隨著高速通訊時(shí)代的來(lái)臨，對(duì)電連接器的性能要求更加茍刻，其高速傳輸引發(fā)的傳輸線效應(yīng)不可忽略，解決高速連接器的信號(hào)完整性問(wèn)題成為連接器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，連接器已經(jīng)成為電子元件的第二大支柱產(chǎn)業(yè)，根據(jù)最新的連接器權(quán)威研究機(jī)構(gòu)Bishop& Associates公司統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，2013年中國(guó)市場(chǎng)連接器的銷(xiāo)售額已經(jīng)達(dá)到136億美元，占全球市場(chǎng)份額的24%，中國(guó)己經(jīng)成為連接器最大的銷(xiāo)售市場(chǎng)高速連接器的研發(fā)以及應(yīng)用始于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，以莫仕、泰科、FCI等公司為首的國(guó)際大型連接器制造企業(yè)憑借技術(shù)和規(guī)模優(yōu)勢(shì)，一直掌握著連接器制造產(chǎn)業(yè)的前沿技術(shù)，尤其是在要求解決高傳輸速度、耐環(huán)境、高可靠性、低串?dāng)_和低噪聲等問(wèn)題的通訊和軍工應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)際大公司有著明顯的優(yōu)勢(shì)，而且該領(lǐng)域的連接器產(chǎn)品利潤(rùn)水平也相對(duì)較高。

VPX連接器

隨著客戶對(duì)傳輸速度的要求越來(lái)越高，國(guó)外連接器供應(yīng)商在其原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，不斷采用新的設(shè)計(jì)技術(shù)及工藝以優(yōu)化微調(diào)其產(chǎn)品，如采用軟干涉連接電路板技術(shù)（電路板的孔可以做得更?。挥枚ㄖ频乃苣z來(lái)補(bǔ)償信號(hào)傾斜推薦在電路板擴(kuò)孔等。為了滿足系統(tǒng)性能和可靠性要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者仔細(xì)平衡傳輸速度、功率和封裝密度之間的關(guān)系。隨著互聯(lián)系統(tǒng)中對(duì)大數(shù)據(jù)量處理和傳輸?shù)脑鲩L(zhǎng)，不斷推動(dòng)對(duì)傳輸速度的要求。國(guó)外高速通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率已由原來(lái)的6.25Gbps跳變至12.5Gbps，且向25Gbps普及推廣，將來(lái)數(shù)據(jù)傳輸速率會(huì)被提升到40Gbps、100Gbps甚至1Tbps，與其相配套的高速連接器也必將得到更快的發(fā)展。

3M UHM

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展促使連接器生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)更高速率的產(chǎn)品。背板連接器市場(chǎng)經(jīng)歷了新世紀(jì)暴增時(shí)代，這些連接器是為了迎接新一代應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)而準(zhǔn)備。在這個(gè)領(lǐng)域主要有個(gè)廠商：Amphenol TCS、FCI、Molex、Tyco，他們均能供應(yīng)25Gbps的連接器。目前幾乎沒(méi)有量產(chǎn)的領(lǐng)域要求這么高的傳輸速度，但是這種高性能的連接器卻給了未來(lái)系統(tǒng)更新的空間，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者很有吸引力。

高速背板連接器是新系統(tǒng)硬件的至關(guān)重要零件，一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期被選上，很可能無(wú)法用別家的連接器替換。因?yàn)樵?0Gbps以上工作頻率，若連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，傳輸性能會(huì)大不樣。有鑒于此，國(guó)外設(shè)備廠商與其主要連接器供應(yīng)商達(dá)成協(xié)議，要求連接器供應(yīng)商共享設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上具備足夠的一致性以保證界面的互換性及高速傳輸?shù)募嫒菪?。這種要求連接器供應(yīng)商之間共賞連接器技術(shù)的做法是史上少見(jiàn)的，創(chuàng)了歷史先河，很可能是未來(lái)連接器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。材料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展拓寬電纜組件的帶寬和提高電纜組件的傳輸速度。采用被動(dòng)和主動(dòng)的信號(hào)調(diào)理技術(shù)，銅件電纜能夠提供速度高于10Gbps距離高達(dá)24m性價(jià)比優(yōu)越的方案。通過(guò)近二十年的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，形成了以泰科、安費(fèi)諾、莫仕、FCI、ENRI等為主的高速連接器生產(chǎn)廠商，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)理論、材料研發(fā)等技術(shù)創(chuàng)新，完成了諸如HM 2mm、ZD、ExaMax、LRM等高端高速連接器的普及應(yīng)用，如下圖所示連接器信號(hào)傳輸速率由2.5Gbps逐漸到12.5Gbps，再攀升至25Gbps甚至是40Gbps。

VITA高速連接器

ZD高速連接器

LRM高速連接器

在信號(hào)完整性設(shè)計(jì)方面，其具有完備的理論分析基礎(chǔ)，如《電磁場(chǎng)與微波技術(shù)》、《高速信號(hào)傳輸》、《高速數(shù)字系統(tǒng)的信號(hào)完整性和轄射發(fā)射》等經(jīng)典著作；擁有多種的高速信號(hào)仿真分析軟件，如Ansoft HFSS、Ansoft Designer、ADS、AltiumDesigner、Cadence等；以及完備的信號(hào)完整性測(cè)試平臺(tái)，如信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器、時(shí)域阻抗測(cè)試儀、誤碼率分析儀以及、等配套分析軟件等。

國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)的高速連接器生產(chǎn)廠商主要有航天電器、中航光電、四川華豐，相關(guān)的科研院所有北京航空航天大學(xué)、北京郵電大學(xué)、上海交通大學(xué)等。隨著近幾年軍用武器型號(hào)的配套需要，國(guó)內(nèi)各大連接器生產(chǎn)廠商通過(guò)仿制或改進(jìn)國(guó)外相關(guān)的高速傳輸連接器產(chǎn)品，相繼開(kāi)發(fā)了VITA46、LRM、JVPX、J599、1394等高速傳輸連接器，但該類(lèi)連接器的傳輸一般不超過(guò)6.25Gbps。此外，部分廠家也開(kāi)始配合用戶使用需求開(kāi)始研制更高傳輸速率的連接器產(chǎn)品，并取得了一定成效。

總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)連接器發(fā)展起步較晚，在基礎(chǔ)理論、原材料、機(jī)械加工、產(chǎn)品測(cè)試等方面嚴(yán)重滯后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。此外，由于國(guó)內(nèi)各電子、航空、船舶、航天等系統(tǒng)對(duì)高速連接器使用需求的不一致性，加之各高速連接器廠商之間疏于交流合作，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)高速產(chǎn)品互不兼容，產(chǎn)品研發(fā)水平參差不齊，嚴(yán)重阻礙了高速產(chǎn)品的發(fā)展，與國(guó)外高速連接器的研制水平相比，國(guó)內(nèi)高速連接器的研制主要有以下幾個(gè)方面的不足：

（1）在信號(hào)完整性理論研究方面，國(guó)內(nèi)科研院所（如西安電子科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西南交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院研究生院等）的研宄較為深入，但主要停留在理論研究及計(jì)算機(jī)仿真分析上面，真正的工程實(shí)用化較少。國(guó)內(nèi)華為、中興等通信設(shè)備商也較早成立了自己獨(dú)立的信號(hào)完整性研究部門(mén)，具有較為完整的信號(hào)完整性測(cè)試平臺(tái)，但基本上還沒(méi)有以上的信號(hào)完整性問(wèn)題方面的報(bào)道。國(guó)內(nèi)各大武器型號(hào)研制及配套單位（如航天科工、航天科技、中電集團(tuán)、中船重工、兵器集團(tuán)等）雖在理論和工程實(shí)踐應(yīng)用上達(dá)到了有機(jī)集合，但受各種因素限制，理論應(yīng)用程度尚待深入。

（2）在原材料研制方面，國(guó)內(nèi)的原材料生產(chǎn)廠商所生產(chǎn)的高速連接器用材料（如PPS、LCP、TPX、Rogers等）基本達(dá)不到實(shí)際使用要求，性能穩(wěn)定性差，且有些材料甚至無(wú)法生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)高速連接器用材料基本依賴進(jìn)口，從而對(duì)高速連接器的國(guó)產(chǎn)化及普及應(yīng)用造成了嚴(yán)重的隱患。

（3）在零部件加工制造方面，因高速連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，很多零部件尺寸精度要求極高，國(guó)內(nèi)的加工設(shè)備、模具及工藝方式方法尚無(wú)法滿足要求，從而在某種程度上限制了高速連接器的傳輸性能的提升。

（4）在產(chǎn)品精密組裝方面，與國(guó)外的自動(dòng)化一體式裝配相比，國(guó)內(nèi)基本采用手工或是手工加半自動(dòng)的裝配方式，其裝配一致性較差，效率低，且連接器的一致性受人為因素的較大。

（5）在產(chǎn)品測(cè)試及驗(yàn)證方面，國(guó)內(nèi)目前還未有統(tǒng)一的高速連接器規(guī)范。各生產(chǎn)廠家的連接器測(cè)試規(guī)范、方法及指標(biāo)互有差異，高速信號(hào)完整性測(cè)試平臺(tái)技術(shù)水平參差不齊，嚴(yán)重滯后了產(chǎn)品研發(fā)。

近幾年，國(guó)內(nèi)各大連接器廠商和高校科研院所開(kāi)始認(rèn)識(shí)到這些不足，開(kāi)始重視高速連接器信號(hào)完整性問(wèn)題的研究，并取得了一些成果。

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