12大技术趋势：高性能背板技术的演变

来源：线束世界•作者：线束世界•2024-08-21 09:01

使用铜导体的背板在过去 50 年中取得了长足的进步，并且在未来很长一段时间内可能仍将是最常见的系统架构形式。

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背板架构

多年来，背板架构一直是电子系统封装的支柱。通过在背板上和背板中的子卡之间嵌入互连，可以在大规模生产中经济地复制精确的电气路径。通过调整铜导体的宽度和厚度，可以有效地分配信号和功率。电气特性，包括阻抗、串扰和偏斜，可以严格控制。将标准化子卡插入主板的能力简化了维修过程，并可以延长设备的使用寿命。

兼容插头的子卡能够以具有竞争力的价格扩展和升级功能。VITA、PICMG 和 PCI-SIG 等标准组织定义了特定的连接器和性能预期，从而简化和加速了新产品设计过程。

背板材料和工艺已经发展，以满足行业对更高速度、信号密度和更小面板尺寸的需求。简单的双面板已经升级，现在有 40 层或更多层。原装通孔波峰焊元件现在提供兼容引脚、压缩和表面贴装端接。电路板设计和布局过程现在由详细的建模和仿真驱动，以确保信号完整性。电镀通孔的背钻和详细的连接器启动分析已成为背板设计的常规方面。商业级 FR4 PCB 层压板已升级为更奇特的环氧树脂、聚酰亚胺、特氟龙和玻璃材料，这些材料具有大大改善的介电常数和耗散因数，这对于支持高速通道至关重要。层压板含水量的影响和铜箔的表面粗糙度等晦涩难懂的问题是争论不休的话题。

尽管取得了这些进步，但传统的背板架构仍然受到层压材料损耗的影响，当通道带宽上升到千兆位范围时，这种损耗就变得成问题了。即使是最先进和最昂贵的 PCB 材料中的长通道长度也会导致不可接受的性能。解决方案是背板替代品的激增，包括消除背板本身。

中平面正交

一种可能性是背板，它将背板向前移动，允许子卡从两侧配接。中板上走线的通道长度大大减少。

需要从设备的前部和后部访问子卡。

下一步是将子卡彼此朝向 90°，使连接器能够跨越所有相对的子板。正交中平面允许高速信号直接穿过中平面，以进一步缩短信号路径。背板上的铜走线可用于分配低速信号和功率。可能需要两个独立的冷却气流。

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Amphenol ICC 的 ExaMAX® 56Gb/s 高速正交连接器支持 25Gb/s 的数据速率，并具有可扩展的迁移路径至 56Gb/s，是高密度应用的理想选择。

正交中平面的逻辑扩展是正交中平面直接配置，它完全消除了中平面，子卡直接从每侧配接。修改后的子卡连接器具有引导和固定功能。然而，正交架构可能会产生一些具有挑战性的机械和配电问题。

这些配置中使用的连接器都经过了持续的改进过程，包括优化内部信号路径、加强阻抗控制、减少触点短截线、优化封装模式以及减小电镀通孔的直径。一些连接器供应商已经采用了专门的塑料材料来抑制反射。

随着系统速度向千兆位数据速率迈进，设计人员认识到，屏蔽差分电缆具有衰减、串扰、偏斜和抗 EMI 优势，即使是最好的 PCB 技术也无法实现。

子卡上产生的高速信号绕过背板，并立即过渡到屏蔽电缆，从而为其他子卡提供受控信号路径。电缆背板和中板已经开发了五年，并已限制生产。

这些点对点连接产生的大量电缆可能会成为管理和维修问题，一些供应商建议将模块化组件作为现场可更换单元或插入式盒式组件。电缆背板已用于需要大型组件并要求卓越性能的应用。

与嵌入式 PCB 走线相比，屏蔽铜缆的高速性能优势导致盒内分立电缆的使用范围扩大。信号通过同轴或双轴电缆转换为尽可能靠近 ASIC、交换机或处理器的电缆，并在机器的另一点或 I/O 面板上端接。这种“跳跃式”概念将 PCB 材料中的信号路径减少到绝对最小，并产生了为这些应用设计的新型分立式和带状双轴电缆组件和连接器。

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Samtec的背板解决方案包括ExaMAX ®高速连接器和Flyover®电缆系统。

使用铜导体的背板在过去 50 年中取得了长足的进步，并且在未来很长一段时间内可能仍将是最常见的系统架构形式。即使是最先进的 PCB 设计和材料的性能限制也已经开始影响支持下一代设备的能力.112+ Gb/s 信道的出现可能需要工程师考虑替代方案，包括提供带宽、余量以及任何其他媒体无法提供的覆盖范围的光传输。多年来一直在开发中并有限使用的光学背板最终可能成为一个有吸引力的选择。

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