ASM连接器设计简介

陈宏基

(立讯技术有限公司，广东省东莞市，523808)

1 引言

万物互联的时代，数据的交换传输信息容量激增，连接器传输速率不断提高，从PCIe标准迭代过程可见一斑，如表格1。现阶段，PCIe5.0被主流设备及相关器件设计所采用，但是为满足应用场景更高的数据传输速率、更低的传输延迟、更低的功耗，业界已经期待PCIe6.0的推出。

表1 PCIe 标准演进

标准的要求不断更新，但对高速连接器而言基本上遵循以下几个方面：

1.1 传输接口的标准化

应用技术迭代，每一代设备的更新会推出新的连接器，如果各个设备制造商各自自定义接口界面，这会导致连接器接口一致性及相互兼容性差，造成产品开发、设备应用维护资源的浪费。因此，现有高速连接器的通用标准都有专业的标准协会定期更新，各个连接器制造商开发一般都遵循标准开发，如：SLIM SAS、GenZ、SFF 1016、SFP、SFP-DD、QSFP、OSFP、QSFP-DD等。

1.2 不断提升传输性能

实现更高的数据传输速率是高速连接器的核心诉求，提升性能的方法除了在连接器和线缆组件产品自身设计、使用材料和制造工艺上下功夫外，系统设计层面同样也在做技术升级。首先，采用支持更高效的数字调制模式，从每符号周期1bit的NRZ编码向每符号周期2bit的PAM4编码升级。其次，用线缆传输替代传统的PCB线路传输，进一步降低链路的损耗。再者，相同接口界面大小的连接器中增加更多的传输通道，获得更高的整体带宽，从而提升传输的容量。例如，在同样的调制模式下，四通道的SFP DD系统比两通道的SFP系统带宽多一倍；八通道的QSFP DD系统要比四通道的QSFP系统支持的带宽翻倍。

1.3 兼容性及小型化

现有技术迭代升级的速度越来越快，在同一传输互联系统中新一代设备与在网设备共存成为常态，因此新的标准和产品，需要充分考虑与原有标准和产品的兼容性，从而充分利用设备、零组件供应商的原有投资，达到新方案的经济效益最大化。此外，减小产品外形尺寸，提高设备内部空间的利用率，一直是设备对配套连接器的持续需求。

2 设计需求分析

2.1 市场现有同类产品

目前市面上与ASM类似的产品主要有两大类：GenZ、SFF 1016规范中的产品，这两类产品都支持Cable与PCB的互联及PCB与PCB的互联应用场景。GenZ 及SFF 1016中规定的产品是完整的系列产品，产品数量较多，现以类似的其中一个产品为代表做对比说明，同系列其它产品外形尺寸可查阅对应的通用规范。

图1 GenZ 2C VT产品外形示意图

图2 SFF 1016 74pin VT产品外形示意图

通过表2，分析对比两类产品的外形结构尺寸及各自性能指标，同时结合服务器内部有限的PCB空间，可以得出ASM产品在结构设计上可以突破的几点：

表2 GenZ 2C VT 与SFF 1016 74pin对比

1.产品外形尺寸需要进一步减少，节省服务器内部及PCB板的器件布板空间。

2.这两类连接器的PCB布局,关键的定位孔及屏蔽壳体的焊接脚位置布局不一致，不具有兼容性，即设备制造商的PCB如果按照其中一种连接器PCB布局规格设计，设备商想切换另一款新连接器，PCB必须重新设计制造。因此，新界面连接器至少能兼容一种产品的PCB布局。

3.产品性能上需要满足PCIe 5.0的需求，实际应用上需要具备防止斜插的防呆能力。

3 产品结构设计

3.1 确定整体外形尺寸

连接器产品由多个零件装配而成，外形尺寸的大小取决于组成零件的尺寸大小。零件尺寸的确定主要考虑产品的结构强度及信号完整性性能要求。

1.宽度方向尺寸缩小。在满足结构强度的前提下，减少主体塑胶housing两侧面的厚度，同时，连接器与PCB板的固持采用屏蔽壳体焊脚与PCB焊接，不采用 DIP焊接片结构。因此相比较GenZ塑胶壳体，housing两侧面肉厚的尺寸分别由2.69mm和2.65mm都减少到1.60mm，成品连接器总宽度减少2.14mm Min。

2.高度方向尺寸缩小。高度方向尺寸的变化涉及到housing高度及接触端子长度的优化。端子尺寸的变化需要综合考虑：连接器公端与母端互配的摩擦距离及接触正向力确保接触的可靠性，同时，兼顾SI Stub的影响确保产品高频信号传输的可靠性，相比GenZ设计，配合的深度由5.95mm降低到4.05mm，从而连接器的整体高度降低1.90mm Min。

图3 GenZ 产品剖面示意图

图4 ASM 产品剖面示意图

经过结构的调整及对应的力学、SI分析，ASM外形尺寸确定为25.8x7.49x6.15mm，相比相同pin数的SFF 1016整体外形缩小约20%。

图5 ASM 产品外形尺寸示意图

3.2 应用性能优化——防止斜插结构

产品实际应用过程中，人员安装操作存在一定的随机性，产品在X方向、Y方向存在一定的偏位及旋转，插头与插座没有对正，从而导致倾斜插拔时母端接触端子容易损坏。目前市面上批量使用的一款服务器内部高速连接器在多个系统设备厂发生失效，示意图6-图8。这种失效导致母端端子损坏，连接器无法使用。发生问题的主要原因是：产品缺少相应的防斜插防呆结构。

图示6 产品倾斜装配 图示7 内部示意图 图示8 局部放大图

ASM系列连接器在充分分析应用实际的基础上，在有限的空间中设计类似L型的结构，可以有效的防止产品倾斜插入，即在倾斜插入时，L型结构能起到双向防呆及导向的作用。

L型结构的设计需要注意强度及导向能力。L型强度取决于塑胶材料性能及结构尺寸大小。导向能力取决于L型的倒角及配合Cable端凸台预导向长度。在设计绘图过程中，预先做模型装配模拟，避免结构尺寸装配"死点"的发生,确保产品能顺利导向装配。

L型结构示意图如下：

图9 公端具有L型凸台

图10 母端具有L型腔体

ASM产品装配防呆示意图：

图11 ASM整体装配示意图

图12 X方向偏位、旋转示意图

图13 Y方向偏位、旋转示意图

L形结构导向防呆模拟:

图14 导向示意图

3.3 接触端子结构设计和仿真

接触端子是连接器的核心部件，端子设计涉及材料、结构、电信号方面。根据接触形式及尺寸要求，初步绘制端子模型，同步开展力学仿真及SI信号仿真，通过优化端子结构及塑胶结构，确定最终的设计方案。

图15 端子应力仿真

从产品的SI仿真结果看，产品设计符合PCIe 5.0规格要求。

图16 SI仿真结果

3.4 兼容性设计

1.配合界面与其它类别产品是否具有互配性

目前市面上不同连接器协会负责的业界规范中定义的产品都有各自独特的配合结构特征，因此，不同的产品只能在性能要求上兼容类似的产品，相互之间是无法交叉互配，ASM产品也不例外。

2.PCB的layout是否能兼容其它产品的layout

与ASM类似的产品是GenZ 及SFF 1016规范中的产品。GenZ系列产品两侧带有焊接片，ASM及SFF 1016产品取消了焊接片的结构，结构差异太大，因此，ASM与GenZ不存在相互兼容的可能性。但是，ASM与SFF 1016存在PCB layout兼容的可能性。

图17 GenZ 、SFF 1016、ASM产品底部焊接面示意图

ASM从设计上考虑兼容SFF 1016产品layout，尺寸定义如下:

现有SFF 1016 PCB layout尺寸定义如下：

图19 SFF-1016 PCB layout

从尺寸规格可以看出，ASM的PCB layout兼容SFF 1016的PCB layout，即系统厂商如果已经使用SFF 1016的产品，在PCB layout不需要做调整的情况下，可以使用同类型的ASM产品，这增加了产品的兼容性。

综上所述主要设计涉及点，ASM成品设计尺寸定义如下：

图20 ASM 74pin VT尺寸示意图

4 产品性能测试结果

产品已经通过机械、电气、环境的可靠性测试，同时，SI性能实际测试结果满足PCIe 5.0要求，目前已在市场上逐步推广使用。

5 结论

新自主研发的ASM连接器及对应的内部电缆为互连系统提供了一种解决方案，可应对数据速率提高所带来的挑战，提供良好的信号完整性，同时还节省空间并降低设计成本。综观ASM产品的设计开发过程，以下两点供同类产品设计参考：

1.产品开发需要充分结合实际应用，充分了解已有产品的痛点，并转化为新产品设计开发的需求输入。如：产品的小型化、兼容性、应用的可靠性，确保开发的产品更具有实际的市场应用价值，增加产品的市场技术竞争力。

2.高速连接器的设计是产品结构与信号性能不断磨合优化的过程，设计过程需要利用仿真工具，对产品的结构性能、电性能做充分的模拟仿真分析，把时间花在"刀刃"上，避免后期产品因设计缺陷而做结构性修改模具，真正实现从设计方面控制费用投入，增加产品的市场成本竞争力。