LUFT ALS DIELEKTRIKUM
BACKPLANE-STECKVERBINDER SIND MITENTSCHEIDEND FÜR DIE QUALITÄT HOCHFREQUENTER SIGNALE. ALLERDINGS SOLLTEN DIESE AUCH NICHT VIEL KOSTEN. MITHILFE VON LUFT ALS DIELEKTRIKUM UND EINER BESONDEREN GEOMETRISCHEN ANORDNUNG GELINGT DIESER SPAGAT.
Bei der Übertragung von Signalen im Bereich von 10GBit/s kann es dazu kommen, dass die Board-to-Board-Steckverbinder genau diejenigen Verluste und Interferenzen wieder einkoppeln, welche die Signalverarbeitung versucht hat, zu beseitigen. Das Steckverbindersystem ist sehr wichtig, soll doch ein hohes Maß an Signalintegrität in Hochgeschwindigkeits- anwendungen der Daten- und Telekommunikation gewährleistet sein. Es darf in keinster Art und Weise das Arbeitsoptimum der verwendeten Signalverarbeitung verringern. Die Verluste und das Übersprechen, welche das Steckverbinder-system mit sich bringt, müssen so gering wie möglich sein.
Neben diesen Anforderungen geht es jedoch selbstverständlich auch darum, die Dichte der Steckverbinder zu steigern bzw. deren Höhe und Breite zu verringern. Gleichzeitig sollen die damit verbundenen Kosten und das physikalische Gewicht immer weiter sinken. Dies führt in der Summe dazu, dass die Herausforderungen für die Hersteller von Backplane-Steckverbindern
immer größer werden. Solche Ansprüche stehen von Natur aus diametral den Anforderungen gegenüber, welche ein Steckverbinder erfüllen muss, wenn es um geringste Verluste und niedrigstes Übersprechen geht. Deshalb ist ein wirklich neuer Ansatz für ein Steckverbinderdesign erforderlich. FCI hat mithilfe von Luft den Weg gefunden.
Das Herz des Steckverbinders AIRMAX VS (=virtuelle Schirmung) ist ein aus Kunststoff gegossener Trägerstreifen, ein so genannter IMLA (Insert Molded Leadfream Assembly). Wie in Bild 2 zu sehen ist, unterscheidet dieser Basisbaustein sowohl differenzielle Signalpaare als auch Einzelsignalleitungen oder einen Mix aus beidem, wodurch die Lagerhaltung auf einem Minimum gehalten werden kann. Dieses inverse Steckverbindersystem umfasst eine vertikale Steckerbuchse für die Backplane und einen rechtwinkeligen Header-Steckverbinder für die
Tochterkarten. Ein Steckverbinder mit 150
Anschlüssen besteht aus 10 IMLA-Spalten, wovon jede 15 Pins beinhaltet. Das Design dieser IMLA-Funktionseinheiten unterscheidet sich in einem Punkt sehr von alternativen Steckverbindern am Markt: AIRMAX VS nutzt Luft als Dielektrikum und zwar zwischen den Signalpaaren innerhalb einer IMLA-Spalte, aber auch zwischen benachbarten IMLAs.
DAS BESTE DIELEKTRIKUM
Traditionell sind solche Trägerstreifenstrukturen vollkommen in Plastik eingehüllt und mithilfe dazwischen liegender Masseschirme isoliert-beides Ansätze, die sowohl die Kosten als auch das Gewicht des Steckverbinders nach oben treiben. Luft, das effizienteste Dielektrikum, in einen Steckverbinder einzubinden, ist in keinster Weise ein fach oder willkürlich. Die Leistungsfähigkeit des Steckverbinders hängt von der detaillierten Entwicklung optimierter Geometrien für die IMLAs und für das Steckverbindersystem als Ganzes ab, sodass Einfügeverluste minimal bleiben. Hier ist ein Wechsel in der Denkweise vonnöten. Eine IMLA-Spalte darf nicht als einfaches elektromechanisches Bauelement betrachtet werden, sondern vielmehr als eine präzise entwickelte Schaltung. Die Feldkopplung zwischen den Signalleitungen innerhalb einer Spalte und zwischen Leitungen angrenzender IMLAs sind mit empirischen Methoden erfasst, um die optimale Kombination der Kontakt- und Luftspaltbreiten zu ermitteln.
Bild 3 zeigt den Aufriss einer Steckerbuchse mit 150 Anschlüssen. Der Abstand zwischen den IMLAs beträgt 2mm, jede Spalte enthält zehn Signalleitungen und fünf Masseleitungen in differenzieller Anordnung. Solche differenziellen Signalpaare sind durch Masseleitungen getrennt. Der vertikale Versatz zwischen den Leitungen benachbarter IMLAs beträgt 1,4mm. In diesem Beispiel ermöglicht der Steckverbinder einen Abstand von 25mm zwischen den Tochterkarten und 25 differenzielle Signalpaare oder 38 Einzelsignalleitungen pro Zentimeter Leiterplatte.
Die engen Toleranzen im Herstellungsprozess des Steckverbinders sichern die Beständigkeit der IMLA-Geometrie, dies stellt einen entscheidenden Faktor dar, um die Impedanzdrift, die Einfügeverluste und das Übersprechen bei schnellen Ansprechzeiten im Steckverbinder zu minimieren. Ein weiterer wichtiger Punkt darf nicht übersehen werden: In Steckverbindersystemen mit dazwischen liegenden Masseschirmen sind die Schirme aufgrund von Design-beschränkungen entweder nicht bis zum Ende der Spalten ausgeführt, oder wenn doch, dann können sie bis zu einem gewissen Maß Fluchtungsfehler verursachen. Wie dem auch sei, dadurch entsteht ein Impedanzungleichgewicht am Ende der Spalten, das schwer in Griff zu bekommen ist.
Bild 3 zeigt noch zwei weitere entscheidende Designfaktoren für ein geringes Übersprechen. Tatsächlich sind direkt benachbarte IMLAs in entgegen gesetzter Richtung angeordnet, sodass beispielsweise die erste IMLA-Spalte mit Signalleitungen, die zweite mit einer Masseleitung, die dritte wieder mit Signalleitungen usw. beginnt.
|
|
Wichtiger ist allerdings der vertikale Versatz von 0,1mm zwischen benachbarten Spalten. Dieser Wert ist nicht willkürlich gewählt. Die Beziehung zwischen diesen Dimensionen der vertikale Abstand innerhalb einer Reihe und die Distanz zwischen den Mittellinien der IMLAs hat FCI sorgfältig ermittelt und ist das Ergebnis einer optimalen Signalkopplung und dem gemessenen Übersprechen.
SIGNALINTEGRITÄT BIS 6,25GBit/s
In Referenzdesigns hat der AIRMAX VS bei Geschwindigkeiten von 2,5GBit/s bis 6,25 GBit/s eine gute Signalintegrität bewiesen. Anwendern ist es damit möglich, ihre Systeme auf Geschwindigkeiten von mehr als 12GBit/s zu skalieren, ohne das zugrunde liegende Plattformdesign ändern zu müssen. Der Steckverbinder weist in einer Konfiguration mit differenziellen Paaren (an den Enden gekoppelt; fünf Paare pro IMLA, 63 Paare pro Zoll) bei einer Geschwindigkeit bis zu 6,05GBit/s eine maximale Einfügedämpfung von 0,7dB (bei 20GBit/s sind es maximal 2,0dB) und einen Impedanzbereich von 100 (±-8)Ohm auf. Das aktive Near-End-Nebensprechen beträgt maximal 2,5%, während das aktive Far-End-Nebensprechen bei maximal 2% liegt. Die differenziellen Parameter sind für eine Ansprechzeit von 55ps (in einem Bereich von 20% bis 80%) charakterisiert.
In einer Konfiguration mit Einzelleitungen (95 Leitungen pro Zoll) weist der Steckverbinder bei einer Geschwindigkeit von bis zu 6,25GBit/s mit einer durchschnittlichen nominalen Impedanz von ungefähr 60Ohm eine maximale Einfügedämpfung von 2,0dB auf. Aktives Near-End-Nebensprechen liegt bei maximal 9% und aktives Far-End-Nebensprechen beträgt maximal 3%. Die Parameter der Einzelleitungen wurden bei einer
Ansprechzeit von 150ps (in einem Bereich von 20% bis 80%) charakterisiert. Die oben angegebenen Leistungsparameter beziehen
sich auf einen AIRMAX VS, in dem die IMLA-Spalten einen Abstand von 2,0mm zueinander aufweisen. Die modulare Natur des zugrunde liegenden Produktdesigns ermöglichte eine Folgeversion mit einem 3,0mm großen Abstand zwischen den IMLASpalten. Naturgemäß ist das Übersprechen dieser Variante geringer.
Anfängliche Ergebnisse zeigen, dass das Near-End-Nebensprechen in differenzierter Ausführung auf weniger als 1,75% und das Far-End-Nebensprechen auf weniger als 2,25% absinkt.
UNTERSCHIEDLICHE LUFTSPALTEN
Designs, in denen die Dichte des Steckverbinders weniger wichtig ist, können noch auf andere Weise davon profitieren, dass der Abstand zwischen den IMLAs größer ist. Dadurch können Systementwickler die Anzahl der Lagen in ihren hoch schnellen Backplanes und Tochterkarten senken in diesem Beispiel um bis zu 50%. Gleichzeitig verbessert sich die elektrische Leistungsfähigkeit des Steckverbinders. Wenn der Abstand zwischen den IMLAs im Steckverbinder von 2mm auf 3mm steigt, kann der
Entwickler die High-Speed-Signale in zwei anstatt vier Lagen routen. Damit sinken auch die Herstellungskomplexität und die Kosten. Nicht zu vergessen ist, dass für die Produktion eines AIRMAX VS mit unterschiedlichem IMLA-Abstand nur für das Gehäuse des Front-Headers, die Halteeinrichtung und für das Buchsengehäuse neue Werkzeuge gemacht werden müssen. Die
Architektur des Steckverbinders ist so ausgelegt, dass der Systementwickler die Steckverbinderdichte (und die entsprechende
elektrische Performance), die Anzahl der Leiterplattenlagen und das Signal-Routing
fast vollständig selbst in der Hand hat.
Adaptionen an das zugrunde liegende Design
sind bereits zu sehen. Der erste, ein Standard-Steckverbinder mit 120 Pins, ist mit IMLAs ausgestattet, die jeweils vier Reihen differenzielle Signalpaare haben. Damit ermöglicht er einen verringerten Abstand zur Tochterkarte von 20mm. Als zukünftige Entwicklung kommen eine rechtwinkelige Buchse für koplanare Anwendungen und eine BGA-Buchsenversion in Betracht.
Bei Fragen stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung!
Gerhard Strobl, DW 37
|
