連接器屏蔽與接地結構設計

趙亮

摘要：隨著電連接器的不斷發展，電連接器的應用范圍越來越廣，電連接器其主要作用是用于實現信號傳輸以及設備之間的電能傳輸。高速背板連接器的設計與制造常常存在一個設計的出而制造不出的問題。通常在理論設計能夠達到我們理想的設計要求，但在實際的制造過程中因為加工設備及裝配的局限，產品無法制造出來或成本太高，無真正的可量產性，企業沒有生產的積極性。在高速背板連接器的實際設計過程中，結合實際使用情況，采用最優的設計方案，使得產品的選材、尺寸設計、結構布局等方面達到一個最佳的組合，使得產品在性能方面、制造方面達到一個最佳的平衡，從而達到預期的設計指標。

關鍵詞：高速背板連接器;屏蔽片;設計

隨著中國經濟的崛起，中國市場已經成為高速背板連接器的第二大銷售市場。高速背板連接器中的信號完整性問題的研究也越來越深入，并成為一個熱點。因該產業發源于歐美國家，他們的企業形成的相對成熟的研究、較為完整的研發體系、設計標準，以保證連接器在高速率的信號傳輸環境下的信號完整性。在科學技術高速發展的背景下，國家和大眾對信息通訊傳輸速度和設備體積提出了更高的要求，在這種趨勢下，信號與信號之間的距離逐漸縮短，但信號間相互耦合會導致嚴重的串擾問題，信號完整性也會因此而受到影響。如何保證信號完整性已經成為背板連接器設計的核心，與其性能存在密切的關聯。因此，對此項課題進行研究。

一、屏蔽分類

在電子設備中，有時需要將電力線或磁力線的影響限定在某個范圍內，需要在某個給定的空間內防止外部的靜電感應或電磁感應力的影響。在這種情況下，利用銅或鋁等低電阻制成的容器，將需要隔離的部分全部包起來; 或者用磁性材料制成的容器將它包起來，我們把防止靜電或電磁的相互感應所采取的這些方法稱之為屏蔽。

1、靜電屏蔽。靜電屏蔽主要是防止靜電場的影響。它的作用是消除兩個電路之間的由于電容的耦合而產生的干擾。另外，在兩個導體之間放一個接地導體時，兩個導體之間的靜電耦合從而減弱，因此可以說接地的導體也具有屏蔽作用。

2、電磁屏蔽。電磁屏蔽的必要條件是屏蔽導體內流過高頻電流，而且電流必須在抵消干擾磁通的方向上，如果在垂直于電流方向上開縫，就沒有電磁屏蔽效應。

3、磁屏蔽。磁屏蔽主要用于低頻，因低頻時不是非常有效，故采用高導磁系數的材料進行屏蔽，以便將磁力線限制在磁阻小的磁屏導體內部，防止擴散到外部去。

二、高速背板連接器的優化設計

存儲器內部和交換機是高速背板連接器的主要應用位置，大數據傳輸是其主要作用，信號會以高速背板截鏈器的互連為媒介，將信號由發射端向接收端傳輸，最終完成整個信號傳輸過程。在設計高速背板連接器的過程中，需要考慮的設計要點分別為損耗、串擾、時域反射和時鐘偏移。XHDU 高速背板連接器選擇的研究對象，這種背板連接器的設計目標為25Gb/s。該產品具有諸多方面的優勢，主要體現在以下方面：第一，空間結構小;第二，傳輸速度快;第三，信號完整性高。為使客戶需求得到滿足，需要經過三次設計才能達到設計要求。在設計過程中，所采取的設計方式以公母配對設計為主，究其原因，主要是這種設計方式，可以為產品界面互相配合和分析信號完整性，創造有利的條件。與普通連接器相比，高速背板連接器采用wafer 錯位疊加的設計方式，使產品拓展目標達成。因此，結構設計對整個連接器來說至關重要。在這個結構中，信號傳輸和接地時端子的作用。依據其作用的不同，可以將其分為傳輸端子和接地端子。信號端子的結構以差分信號對為主，在信號傳輸中的應用效果較為顯著。接地端子的作用為屏蔽電磁，同時，還能調節阻抗。導電膠是高速背板連接器結構中的特殊材料，碳纖維的增加，賦予了設備非常強的電磁屏蔽能力。金屬屏蔽片的作用為保護和屏蔽電磁。而電容設計的增加，有利于產品整體性能的提升[4]。

1、高速背板連接器殼體結構設計。高速背板連接器的組成部分包括接地針、信號針和殼體。殼體結構設計對于高速背板連接器整體設計而言至關重要，想要使wafer 在插頭殼體內定位準確性得到保證，通常會將小型扣位設置到wafer 的側面，同時將卡扣孔設置到插頭殼體處。通常情況下，殼體尺寸小于卡扣尺寸，但殼體由于具備塑性變形能力，因此，插頭殼體會在卡扣到位后回歸原位，并與wafer 相連。

2、高速背板連接器footprint設計。在高速背板連接器設計過程中，連接器的footprint 設計屬于首要步驟，究其原因，主要是損耗和串擾會受到產品footprint 布局的直接影響。此外，串擾影響還會被footprint 設計中的信號針和接地針結構布局所影響。高速背板連接器，其footprint 信號針和接地針的結構為交錯布置，因此，接地針和信號針在寬度上存在差異，假設信號針和接地針之間的水平距離由Lx 表示，信號針與信號針之間的垂直距離由Ly 表示。

仿真結果表明，在Lx，Ly 距離值被改變后，所獲取的信號完整性結果各不相同。具體規律如下：第一，Lx、Ly 的距離值與高速背板連接器的高頻性能具有直接的關聯，簡言之，就是Lx、Ly的距離值越大，高頻性能越好。但在連接器實際設計時，Lx、Ly的距離值會受到空間的限制，尤其是新一代連接器，其體積逐漸縮小，單位面積內的信號針數量越來越多，因此，在設計階段需要在較小的空間內實現預期的設計目標。

綜上所述，在經濟高速發展的背景下，國家和社會公眾對信息傳輸效率提出了更高的要求，并要求設備體積朝著小型化的方向發展，但在設備體積縮小后，信號與信號之間的距離會被縮短，串擾問題逐漸嚴重，最終使信號完整度受損，無法滿足人們的需求。因此，保證信號完整性成為了高速背板連接器設計的關鍵問題，關系到連接器的整體性能。在實際設計中，設計人員需要以殼體設計、footprint 設計為著力點，對高速背板連接器結構進行優化設計。

參考文獻

[1] 徐鳴， 陳毓彬， 李東蘭. 高速背板連接器測試校準技術研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2020，38（05）：99-102.