12大技術(shù)趨勢：高性能背板技術(shù)的演變

來源：線束世界?作者：線束世界?2024-08-21 09:01

使用銅導(dǎo)體的背板在過去 50 年中取得了長足的進(jìn)步，并且在未來很長一段時間內(nèi)可能仍將是最常見的系統(tǒng)架構(gòu)形式。

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背板架構(gòu)

多年來，背板架構(gòu)一直是電子系統(tǒng)封裝的支柱。通過在背板上和背板中的子卡之間嵌入互連，可以在大規(guī)模生產(chǎn)中經(jīng)濟(jì)地復(fù)制精確的電氣路徑。通過調(diào)整銅導(dǎo)體的寬度和厚度，可以有效地分配信號和功率。電氣特性，包括阻抗、串?dāng)_和偏斜，可以嚴(yán)格控制。將標(biāo)準(zhǔn)化子卡插入主板的能力簡化了維修過程，并可以延長設(shè)備的使用壽命。

兼容插頭的子卡能夠以具有競爭力的價格擴(kuò)展和升級功能。VITA、PICMG 和 PCI-SIG 等標(biāo)準(zhǔn)組織定義了特定的連接器和性能預(yù)期，從而簡化和加速了新產(chǎn)品設(shè)計過程。

背板材料和工藝已經(jīng)發(fā)展，以滿足行業(yè)對更高速度、信號密度和更小面板尺寸的需求。簡單的雙面板已經(jīng)升級，現(xiàn)在有 40 層或更多層。原裝通孔波峰焊元件現(xiàn)在提供兼容引腳、壓縮和表面貼裝端接。電路板設(shè)計和布局過程現(xiàn)在由詳細(xì)的建模和仿真驅(qū)動，以確保信號完整性。電鍍通孔的背鉆和詳細(xì)的連接器啟動分析已成為背板設(shè)計的常規(guī)方面。商業(yè)級 FR4 PCB 層壓板已升級為更奇特的環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、特氟龍和玻璃材料，這些材料具有大大改善的介電常數(shù)和耗散因數(shù)，這對于支持高速通道至關(guān)重要。層壓板含水量的影響和銅箔的表面粗糙度等晦澀難懂的問題是爭論不休的話題。

盡管取得了這些進(jìn)步，但傳統(tǒng)的背板架構(gòu)仍然受到層壓材料損耗的影響，當(dāng)通道帶寬上升到千兆位范圍時，這種損耗就變得成問題了。即使是最先進(jìn)和最昂貴的 PCB 材料中的長通道長度也會導(dǎo)致不可接受的性能。解決方案是背板替代品的激增，包括消除背板本身。

中平面正交

一種可能性是背板，它將背板向前移動，允許子卡從兩側(cè)配接。中板上走線的通道長度大大減少。

需要從設(shè)備的前部和后部訪問子卡。

下一步是將子卡彼此朝向 90°，使連接器能夠跨越所有相對的子板。正交中平面允許高速信號直接穿過中平面，以進(jìn)一步縮短信號路徑。背板上的銅走線可用于分配低速信號和功率?？赡苄枰獌蓚€獨(dú)立的冷卻氣流。

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Amphenol ICC 的 ExaMAX? 56Gb/s 高速正交連接器支持 25Gb/s 的數(shù)據(jù)速率，并具有可擴(kuò)展的遷移路徑至 56Gb/s，是高密度應(yīng)用的理想選擇。

正交中平面的邏輯擴(kuò)展是正交中平面直接配置，它完全消除了中平面，子卡直接從每側(cè)配接。修改后的子卡連接器具有引導(dǎo)和固定功能。然而，正交架構(gòu)可能會產(chǎn)生一些具有挑戰(zhàn)性的機(jī)械和配電問題。

這些配置中使用的連接器都經(jīng)過了持續(xù)的改進(jìn)過程，包括優(yōu)化內(nèi)部信號路徑、加強(qiáng)阻抗控制、減少觸點(diǎn)短截線、優(yōu)化封裝模式以及減小電鍍通孔的直徑。一些連接器供應(yīng)商已經(jīng)采用了專門的塑料材料來抑制反射。

隨著系統(tǒng)速度向千兆位數(shù)據(jù)速率邁進(jìn)，設(shè)計人員認(rèn)識到，屏蔽差分電纜具有衰減、串?dāng)_、偏斜和抗 EMI 優(yōu)勢，即使是最好的 PCB 技術(shù)也無法實(shí)現(xiàn)。

子卡上產(chǎn)生的高速信號繞過背板，并立即過渡到屏蔽電纜，從而為其他子卡提供受控信號路徑。電纜背板和中板已經(jīng)開發(fā)了五年，并已限制生產(chǎn)。

這些點(diǎn)對點(diǎn)連接產(chǎn)生的大量電纜可能會成為管理和維修問題，一些供應(yīng)商建議將模塊化組件作為現(xiàn)場可更換單元或插入式盒式組件。電纜背板已用于需要大型組件并要求卓越性能的應(yīng)用。

與嵌入式 PCB 走線相比，屏蔽銅纜的高速性能優(yōu)勢導(dǎo)致盒內(nèi)分立電纜的使用范圍擴(kuò)大。信號通過同軸或雙軸電纜轉(zhuǎn)換為盡可能靠近 ASIC、交換機(jī)或處理器的電纜，并在機(jī)器的另一點(diǎn)或 I/O 面板上端接。這種“跳躍式”概念將 PCB 材料中的信號路徑減少到絕對最小，并產(chǎn)生了為這些應(yīng)用設(shè)計的新型分立式和帶狀雙軸電纜組件和連接器。

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Samtec的背板解決方案包括ExaMAX ?高速連接器和Flyover?電纜系統(tǒng)。

使用銅導(dǎo)體的背板在過去 50 年中取得了長足的進(jìn)步，并且在未來很長一段時間內(nèi)可能仍將是最常見的系統(tǒng)架構(gòu)形式。即使是最先進(jìn)的 PCB 設(shè)計和材料的性能限制也已經(jīng)開始影響支持下一代設(shè)備的能力.112+ Gb/s 信道的出現(xiàn)可能需要工程師考慮替代方案，包括提供帶寬、余量以及任何其他媒體無法提供的覆蓋范圍的光傳輸。多年來一直在開發(fā)中并有限使用的光學(xué)背板最終可能成為一個有吸引力的選擇。