对话专家：探究高速连接器的信号完整性设计

AI赋能下的数据中心正催生高速互连技术升级，高速连接器如何保证信号完整性，实现更高效的数据传输？

回望2024年人工智能的发展态势，不得不用“爆发”二字形容。

苹果与Open AI的深度合作使得AI手机概念爆火;萝卜快跑等无人驾驶汽车逐渐实现规模化运营，特斯拉Optimus机器人等人形机器人技术不断突破……

AI 与众多行业的深度融合，不仅催生出诸如 AI 手机、无人驾驶汽车、人形机器人等前沿应用，更促使数据中心加速向大带宽时代迈进，高速互连技术也随之踏上高速率、低延迟的发展征程。

在这一宏大背景下，高速连接器作为数据传输的关键节点，其信号完整性问题愈发凸显，成为制约技术进步的核心挑战之一。

为深入探究高速连接器信号完整性这一关键议题，《国际线缆与连接》特别邀请了来自英特尔数据中心和人工智能集团首席工程师李祥博士、Molex信号完整性专家邓倩、得润电子CEA事业部研发总监林宗彪、博威合金板带技术市场部亚太区总监张敏、泰明同金属总经理罗红玉、广东中量科技李记祥经理，从系统厂、连接器厂商、新材料厂商、测试厂商等多元视角，对高速连接器的SI设计、新材料应用等关键话题展开了一场全面且深入的对话。

01 | SI 影响因素：探寻降低损耗与串扰之道

电子设备的互连系统主要由PCB互连线路、连接器及其他元件构成，信号经由PCB上的线路和连接器传递至其他PCB，进而形成完整的背板系统。

▲图/包图网

高速连接器的信号完整性受到特性阻抗、插入损耗、返回损耗、串扰、接触电阻、电磁干扰、信号传输速度、屏蔽效果、机械耐久性和温度等多种因素的影响。

“高速连接器在整个Chiplet里面作用会比较大。随着速度越来越快，高速连接器中间的损耗、串扰包括反射会使信号产生影响”英特尔数据中心和人工智能集团首席工程师李祥博士强调了高速连接器信号完整性的重要性。

当问及如何降低损耗、防止串扰时，李祥博士表示连接器的损耗并不大，有时串扰、阻抗的影响会比较大。“连接器一般比较短，我们要求一般是调整阻抗匹配，优化信号传输，从而降低串扰”，李祥博士补充道。

Molex信号完整性专家邓倩则深入剖析了224G LR 链路潜在的多种拓扑结构，并说明可以在长链路中应用电缆解决方案来降低插损。“PCB用low dk low df材料降低损耗，但是在现有材料上，仍然不能搞定全链路损耗，需要采用PCB与电缆结合的方案。”邓倩提出了针对性的解决方案。

得润电子CEA事业部研发总监林宗彪谈到可通过仿真软件模拟结构并不断调整，优化阻抗匹配，防止串扰减少损耗。而设计是否能成为现实，取决于模具加工精度等制成工艺水平能否完全对照设计。

博威合金板带技术市场部亚太区总监张敏同样提到了数字化仿真的重要性。他指出：“为提高信号完整性，工程师需要进行复杂或极端的结构设计。通过仿真技术，我们可以推算出材料需要具备哪些功能性能，来满足这些结构设计的需求。同时，基于这些性能需求参数，再借助AI大型模型来计算出合适的配方和工艺流程，来实现这些要求。”张敏详细说道。

▲博威合金智能选材工具

泰明同金属总经理罗红玉从材料纯度的角度出发，指出全部用新料与用回收量比例偏高的材料对连接器的影响是不一样的。“新料比如电解铜相对来说纯度更高，对连接器的干扰更少，而加了回收料的产品会有相对的杂质，影响到信号的完整性。”罗玉红解释道。

02 | SI设计难点：如何平衡机械性与高频性?

高频信号在传输过程中易受反射、串扰和衰减等影响，导致信号失真或误码。为确保信号完整性和准确性，需在PCB、封装和连接器设计中进行优化。

信号完整性(SI)是一个较为宽泛的议题，当聚焦于高速连接器领域时，就不得不谈连接器的设计。如何在超高速传输的狂飙突进中，既巧妙降噪，又最大化信号传输量，这已成为高速连接器信号完整性设计的重头戏。

▲业界首个芯片到芯片之间互连的224G产品组合，包括下一代电缆、背板、板对板连接器和Near-ASIC高速线对板解决方案，支持的信号速率高达224 Gbps-PAM4。

Q：高速连接器要保证信号完整性有何难点?

得润电子CEA事业部研发总监林宗彪：连接器设计难点在于结构的设计以及材料性能的改善。拿PCle来讲，从第一代、第二代、第三代、第四代、第五代的外形看，它们基本上都是一样的，但里面的结构却在优化。

Molex信号完整性专家邓倩：高速连接器是一个非常精密的器件，小小一个就能实现电的连接，但里面的结构不同会导致信号有很大差异。在速率越高的时候，结构设计关系着连接器的可靠性。

Q：高速连接器的高频性能与机械性能应该如何平衡?

得润电子CEA事业部研发总监林宗彪：高频性能与机械性能两者具有矛盾性。连接器端子传输路径越长，损耗就越大，而连接器端子传输路径变短，机械性能也会有相应的影响，比如连接器端子变短会出现应力降服接触不良、保持力下降等问题，塑胶高度变矮也会出现强度减弱和高温翘曲等问题。铜连接高频电磁干扰、辐射，回波损耗、插入损耗等都与机械结构设计有直接的关联。

Molex信号完整性专家邓倩：这确实也是做连接器设计的一个难点。如果单纯从连接器本体来讲，连接器结构设计受限于加工工艺，会不可避免地损害SI性能，那么只能做些研究，比如跟连接器模具的供应商做一些最大可能的优化。另外客户与应用连接器工程师需要保持良好沟通，因为整机上面会有些额外的公差影响连接器的配合，需要看哪种公差视角能够最好地保证产品性能。

除此之外，对高速连接器的机械物理性能进行密封性、安全防护、IP等级的测试，能够体现出高速连接器的物理性能以及信号完整性，水、尘等异物的侵入会对连接器高速互连性能和可靠性产生影响。

广东中量科技有限公司李记祥经理：相比于普通的连接器，高速连接器的要求会更高。举个例子，普通汽车连接器的IP67、IP68的防护等级就能满足使用要求，而高速信号线则需要IP6K9K的防护等级。此外，高速连接器的密封性测试至关重要。如果密封性差，灰尘和杂质容易进入连接器内部，可能会干扰高速信号传输，使信号产生衰减、失真甚至中断。并且良好的密封能减少外界温湿度变化的干扰，确保内部的接触件等部件在合适的环境下工作，从而保证信号传输的稳定性和可靠性。

03 | 新材料如何赋能高速连接器?

如果要将连接器的精妙设计从蓝图转化为可量产的成品，材料是绕不开的一大核心要素。铜材因其高导电性，在高速互连技术中扮演着关键角色，主要用于优化信号传输效率和实现高效电磁屏蔽。

▲信号与屏蔽(左)和非屏蔽(右)连接器的干扰

Q：新材料在高速连接器中的应用是怎样的?

泰明同金属总经理罗红玉：高速连接器对材料的要求会更高一点，对大电流、抗疲劳的性能要求比传统的连接器高。材料分切方面需要优化设备、提高精度，力求将毛刺控制在极小范围内，甚至趋近于零瑕疵。异型材方面主要是降低加工的公差、厚度公差，提高稳定性。

使用特殊设计的异型材料能够减少对连接器性能的损耗 图/泰明同异型材

博威合金板带技术市场部亚太区总监张敏：在信号完整性的严格要求框架下，新材料需要具备三大关键特性：其一，高强度，要足以承受复杂多变的机械应力、插拔冲击以及各类物理形变;其二，高导电性，可最大程度降低传输损耗，实现信号的高效、保真传递;其三，超强耐久性，在长时间处于高温、高湿、强电磁干扰等极端工况下仍能保持稳定性能。

“实际上，在连接器设计中，材料的限制往往是关键因素。工艺和材料必须满足设计要求，只有这样，工程师设计的信号完整性才能得以实现。”对于这一点，张敏用了“知易行难”来总结。

博威合金依托数字化转型优势，自主研发多款材料，已成为新能源汽车、AI等高科技领域的重要供应商

当谈及新材料行业在未来高速连接器领域的应用走向时，罗红玉坦诚地分享了自己的观察。她谈到，就现阶段的整体态势而言，行业尚处于发展阶段，一些厂商为了跑量可能更注重量跟性价比。但随着数据中心的蓬勃发展，市场对高速连接器的要求提高，相应地对材料的应用要求也会提高，有助于推动行业向高精尖方向发展，“这对我们来说是个机会”罗红玉说道。

04 | 小结

随着AI领域计算需求的节节攀升，计算架构与互连架构的门槛也随之水涨船高，高速连接器的信号完整性对于满足大数据和人工智能时代对数据传输速率和实时处理能力的需求至关重要。

在整个制造流程中，从研发设计到结构设计，从仿真测试到模具加工，再到零组件的加工生产，每一个环节都对确保连接器的信号完整性起着决定性作用。另外，持续的材料创新和制造技术改进也是提升高速连接器性能的关键因素。

期望整个上中下游产业链通过不断优化材料、设计和制造流程，实现高端连接器行业的技术升级与产业转型。

本文为哔哥哔特资讯原创文章，未经允许和授权，不得转载

审核编辑 黄宇