
隨著高速傳輸需求的日益增高,各種傳輸介面的數據率也全面提升,使得連接器的應用已不單純只是考量其插拔力、磨耗、耐燃 ... 等結構強度特性。更進一步的需關注到連接器所乘載的信號,對於材料的介電常數(Dk)和損耗因子(Df)特性的影響也逐漸不容忽視。連接器除了有金屬針腳供電氣連接的接觸件,最大的主體結構是其塑膠材料的外殼(Housing),目前用於連接器的塑膠有:聚苯硫醚(PPS)、聚對苯二甲酸丁酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)、尼龍(Nylon)、液晶聚合物(LCP)...等,在眾多樹酯類原料裡因產品特性,適當添加阻燃劑、穩定劑、著色劑...等等加工需求,其連接器的塑膠外殼介電常數(Dk)和損耗因子(Df),大約落在 (2.4 ~ 4.0) at 1MHz 和 (0.03 ~ 0.002) at 1MHz 不等。接下來我們以常見的 PCIe Connector 連接器,其中一組差分對通道來觀察,母板(Motherboard)經過連接器(Connector)再經由子卡(Add-in card)輸出,對於不同介電常數成形的塑膠外殼(Housing),在高速訊號傳輸時所造成的影響。
從圖一頻域的角度我們可以觀察到,SDD11回損(return loss)在6GHz以下反射強度隨著外殼(Housing)的介電常數(Dk)數值降低而減弱,並且6.5GHz以上開始出現了兩組較明顯的諧振頻點,隨著材料的介電質Dk的降低往更高頻的方向位移Shift。High-Dk與Low-Dk的諧振頻點位移從m1(6.80GHz) shift to m3(7.83GHz) and m4(9.58GHz) shift to m6(11.63GHz),越往更高頻的諧振點變化也依然表現出這樣的趨勢。
在圖二SDD21頻域的插損特性(insertion loss)也同樣觀察到,連接器外殼(Housing)的介電常數(Dk)數值越低,整體的諧振低谷表現越往高頻方向移動。High-Dk與Low-Dk的諧振點位移從m1(11.58GHz) shift to m3(13.88GHz), m4(14.77GHz) shift to m6(17.64GHz) and m7(21.83GHz) shift to m9(22.58GHz)。在5GHz頻率點以下不同介電材料的塑膠外殼(Housing)的插損表現,並無明顯的差異且曲線平滑,故低頻的訊號分量將能更完整的傳送到目的地端 ; 6GHz開始的SDD21曲線就逐漸出現了明顯的插損諧振現象,越高頻的頻率分量損耗越嚴重,這也將導致高速訊號在傳輸時接收端最終眼圖的不理想。
我們透過TDR來看看這一對差分通道的時域阻抗,在不同介電常數(Dk)的連接器外殼(Housing)有何差異,從圖三的阻抗曲線可以發現,最低阻抗的數值分別來到了High-Dk (31.30 ohm)、Mid-Dk (34.57 ohm) & Low-Dk (39.75 ohm),最低阻抗值差距來到了8.45 ohm ; 峰對峰值則為High-Dk (73.95 ohm)、Mid-Dk (72.12 ohm) & Low-Dk (68.09 ohm),峰對峰值差距來到了5.86 ohm。整體看來使用Low-Dk低介電常數外殼的 PCIe Connector 連接器,在差分通道上的阻抗變化相對友好。
為了更了解差分通道經過不同連接器外殼(Housing)的信號波形差異,我們在母板(Motherboard)端輸入一個差分擺幅1V的方波信號,在子卡(Add-in Card)的輸出端觀察其結果如圖四所示。高介電常數(High-Dk)的外殼產生了384.1mV擺幅的振鈴(Ringing)現象、介電常數(Mid-Dk)則有363.3mV擺幅的振鈴,低介電常數(Low-Dk)外殼的連接器則出現了335.5mV擺幅的振鈴(Ringing)現象。其過沖(Overshoot)程度在高中低不同介電常數(Dk)的表現分別為(324mV / 296mV / 267mV)。從時域的波形也可觀察到高速傳輸的差分通道,中間經過低介電常數朔膠外殼的 PCIe Connector 連接器,整體表現還是較佳的。
最後我們來觀察大量高速訊號數據傳輸到接收端的眼圖表現。如圖五圖六所示,使用高介電常數(High-Dk)材料,其眼高為334.28mV、眼寬119.33ps、眼皮厚度56.88mV、抖動5.75ps,而低介電常數材料,眼高366.53mV、眼寬122.82ps、眼皮厚度50.08mV、抖動3.52ps。確實使用低介電材料整體效能相對理想,高速連接器(High speed connector)外殼材料無論從頻域還是時域的角度來看。
當然影響整個差分高速訊號傳輸路徑上,並非單單只需考量連接器的性能,倘若路徑上的走線Trace、過孔Via、焊盤Pad、金手指Gold finger,沒有做足良好規劃跟設計如圖七的眼圖結果顯示。同樣使用低介電常數外殼的高速連接器,眼圖各項指標皆嚴重惡化,其眼高-172.18mV、眼寬-16.28ps、眼皮厚度+120.35mV、抖動+15.53ps,如此將大幅度影響到終端接收到的訊號品質,並且產生許多各式各樣訊號完整性問題。