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3D-Lösung für wachsende Herausforderungen
Anbieter von Kommunikationsausrüstung statten ihre internen Leiterplatten mit höheren Geschwindigkeiten aus. Signalraten von 28 Gbit/s befinden sich bereits in der Entwicklungsphase und zukünftig sind Raten von 56 und 112 Gbit/s zu erwarten.
Die Herausforderung besteht darin, dass Leiterplatten für diese höheren Geschwindigkeiten nicht besonders gut geeignet sind. Es entstehen Probleme mit der Signalintegrität (Rauschen, Einfügungsdämpfung, Umfang usw.) und das schränkt die Entfernung ein, über die Leiterbahnen ein Hochgeschwindigkeitssignal zuverlässig übertragen können. Daher müssen die Leiterplattenentwickler diese Einschränkungen des Plattenlayouts überwinden oder sich für teurere Hochleistungsmaterialien entscheiden.
Mid-Board-Kupferlösungen (MBCu) meistern diese Herausforderung mithilfe von Steckverbindern und Kabelsätzen. Indem die Leiterplatte überbrückt wird, ermöglicht eine MBCu-Lösung eine größere Flexibilität beim Design, geringere Kosten und eine weitaus bessere Signalintegrität. Mit einem Kabel, das beliebige Komponenten inner- oder sogar Geräte außerhalb der Box erreichen kann, verwandelt eine MBCu-Verbindungslösung ein zweidimensionales Leiterplattendesign in einen 3D-Raum, der weitaus mehr Konfigurationen möglich macht.
Betrachten wir nun einige der Designaspekte bei der Spezifikation einer geeigneten Mid-Board-Kupferlösung.
„Mit einer MBCu-Lösung können Sie ein zweidimensionales Leiterplattendesign in einen 3D-Raum mit entsprechend mehr Konfigurationsmöglichkeiten verwandeln.“
Designaspekte
Entwickler sollten mehrere Kriterien berücksichtigen bei der Auswahl einer Mid-Board-Kupferlösung, darunter Flexibilität, Signalrate, Einfügungsdämpfung, Entfernung, Steckverbinderkonfiguration und Kabeltyp.
Flexibilität
Steckverbinderstandards
Die Entwickler müssen sich mit beinahe 30 verschiedenen Steckverbinderstandards auseinandersetzen, darunter PCIe, SAS, SATA, Ethernet und InfiniBand. Es ist mühselig, für jeden Standard einen anderen Steckverbinder zu verwenden, aber dies war bis vor kurzem die gängige Praxis. Nun ist es möglich, ein Steckverbinderdesign einzusetzen, das allen Standards entspricht. Um diese Anforderung zu erfüllen, sollte die MBCu-Lösung:
- über einen Datenratenbereich von 8 bis 112 Gbit/s funktionieren,
- Standardfertigungsverfahren verwenden,
- sowohl horizontale als auch vertikale Anschlussoptionen umfassen,
- verschiedene Stiftkonfigurationsoptionen für alle Designanforderungen bieten,
- einen Kabelanschluss zulassen, sodass der Steckverbinder nicht nur für eine 2D- sondern auch eine 3D-Lösung eingesetzt werden kann, die flexible Verbindungen mit Komponenten und Geräten inner- und außerhalb der Box ermöglicht,
- kostengünstig genug für Anwendungen mit geringerer Leistung sowie leistungsstark genug für Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit sein.
MBCu-Lösungen werden für eine Vielzahl von Designs eingesetzt. Die Sliver Verbindungen von TE sind eine Lösung, mit der mehrere neue Designs möglich sind, z. B. 1) Mid-Board-Kabelanwendungen, 2) Backplane-/Midplane-Anwendungen, 3) flache PCIe-Add-In-Kartenanwendungen, 4) vertikale Card-Edge-Anwendungen und 5) horizontale Card-Edge-Anwendungen.
Signalrate
MBCu-Lösungen
Zwar eignen sich Leiterplatten für eine Signalübertragung von bis zu 10 Gbit/s, bei höheren Geschwindigkeiten ist ihre Leistung jedoch eingeschränkt. Mit MBCu-Lösungen können Entwickler ihre HPC-Fähigkeiten steigern, da sie einen Steckverbinder direkt neben dem Prozessor platzieren und so das Signal so schnell übertragen können, wie es der IC zulässt. Mit dieser Lösung ist die Leiterplatte kein Leistungsengpass mehr.
Einfügungsdämpfung und Signalintegrität
Schnell und zuverlässig
Die Entwickler können nur eine bestimmte Einfügungsdämpfung zulassen, damit die Leiterbahnen nicht zu kurz werden – weniger als 10 cm vom Steckverbinder zum IC. Bei einer Mid-Board-Kupferlösung fällt diese Einschränkung weg, da Sie das Signal über ein Kabel schnell und zuverlässig so weit wie erforderlich übertragen können.
Wann immer Sie Signale über Leiterbahnen übertragen, gibt es zahlreiche Bahnen. Wenn Sie die Bahnen durch alle Komponenten leiten, müssen Sie auf die Signalintegrität achten. Zudem müssen Sie eine Analyse der Signalintegrität vornehmen, um eine ordnungsgemäße Leistung sicherzustellen. Mit einem Kabel können Sie Probleme bei der Signalintegrität umgehen.
Entfernung
Signalreichweite
MBCu-Lösungen verfügen über Kabel mit unterschiedlichen Stärken, aber alle übertragen Signale über größere Entfernungen als Leiterplatten. So bietet z. B. ein 33er-Kabel in der Regel eine vierfach geringere Einfügungsdämpfung. Stärkere Kabel (30er oder weniger) liefern sogar noch bessere Werte. Daher kann jetzt ein Design, das mit einer Leiterplatte auf 10 cm beschränkt war, mit einer MBCu-Lösung mit 33er-Kabel auf 40 cm erweitert werden. Dadurch ist mehr Designflexibilität möglich und das Leiterplattenlayout wird vereinfacht.
Das Sliver Verbindungssystem ist die führende MBCu-Lösung von TE und bietet Flachband- und TwinAx-Kabelsätze für mehr Designflexibilität.
Kabeltyp
MBCu-Lösungen
MBCu-Lösungen sollten eine Auswahl an verschiedenen Kabeltypen bieten: Flachbandkabel oder Twinax. Flachbandkabel wird für Anwendungen mit geringerer Geschwindigkeit wie PCIe oder SAS verwendet. Erfordert das Design aber Signale mit Geschwindigkeiten ab 28 Gbit/s, sollte man auf ein Twinax-Einzelkabel setzen.
Steckverbinderkonfiguration
Leiterplattentechnologie
Bei einer Lösung mit einem 0,6-mm-Raster wird für die eingesetzte Steckkarte eine Standard-Leiterplattentechnik verwendet. Bei einem MBCu-Produkt mit 0,5-mm-Raster können Sie keine aktuelle branchenübliche Leiterplattentechnik verwenden: Sie müssen entweder einen Indirektstecker oder kostspieligere BGA-Laminate (Ball Grid Array) einsetzen, die für äußerst enge Anwendungen verwendet werden. Außerdem müssen Sie je nach Anwendung entscheiden, ob vertikale oder Winkelstecker zum Einsatz kommen sollen. Mit einer Lösung, die sowohl vertikale als auch Winkelstecker zulässt, erhalten Sie mehr Flexibilität.
Vorteile
Was wird dank der Flexibilität und Kosteneinsparungen einer MBCu-Lösung ermöglicht? Sie bieten eine einheitliche Hochleistungsplattform für die verschiedensten Verbindungen in einem System. Statt eine Verbindung für Card-Edge und eine weitere für ein Kabel sowie eine dritte für den Stecksockel verwenden zu müssen, haben Entwickler nun eine Plattform, die an verschiedenen Orten eingesetzt werden kann. Dadurch wird das Qualifizierungs- und Designverfahren vereinfacht und rationalisiert. Zudem stellen MBCus eine kostengünstige Alternative zu optischen Verbindungen dar: Ein optisches Modul kostet mitunter das Sechs- oder Siebenfache einer verkabelten MBCu-Lösung. Da Ausrüstungshersteller höhere Leiterplattengeschwindigkeiten anstreben, entwickeln sich MBCu-Lösungen aufgrund ihrer größeren Designflexibilität, der höheren Leistung und den geringeren Kosten zu einer attraktiven Alternative für die Signalübertragung in einem System. Durch die Auswahl einer MBCu-Lösung, die alle Anwendungen unterstützt, können Hersteller die Designdauer sowie die Kosten senken.
