Backplane-Steckverbinder Eine neue Ära in der Königsklasse der Steckverbinder

Autor / Redakteur: Herbert Endres * / Kristin Rinortner

Mit einem kreativen Aufbau lassen sich Backplane-Steckverbinder als Massenprodukte herstellen, die das Potenzial für höchste Datenraten haben und exzellente elektrische Eigenschaften aufweisen.

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Backplane-Steckverbinder: Müssen heute Datenraten von 40 GBit/s und mehr gewährleisten
Backplane-Steckverbinder: Müssen heute Datenraten von 40 GBit/s und mehr gewährleisten
(Bild: Molex)

Üblicherweise werden Backplane- oder Baugruppensteckverbinder als die Königsklasse der Steckverbinder bezeichnet, weil diese die Speerspitze der Steckverbindertechnologie repräsentieren.

Nachdem vor geraumer Zeit die Luft in diese Steckverbinder „hereingelassen“ wurde (man hatte die Vorteile von Luftdielektrika gegenüber Kunststoffdielektrika wieder entdeckt) hat Molex die Steckverbinderfamilie Impact im Markt etabliert und weiter entwickelt. Der Steckverbinder hat sich für Datenraten >10 GBit/s bewährt und zeichnet sich durch folgende Eigenschaften, welche die Signalübertragung hoher Datenraten unterstützen, aus:

  • Luft als Dielektrikum zwischen differentiellen Paaren und den begleitenden Massebahnen.
  • Kleine Einpresszonen, welche einen kleinen Lochdurchmesser der durchkontaktierten Löcher in den Leiterplatten ermöglichen und durch Reduzierung der Kapazität des Loches den Saugkreiseffekt in höhere Frequenzbereiche schieben.
  • Optimale Signalführung innerhalb des Steckverbinders und in der Leiterplatte, damit die hochfrequenten Signale problemlos aus der Leiterplatten in den Steckverbinder gelangen können.

Um die Kapazitäten der durchkontaktierten Löcher zu reduzieren, verwendet man das „Backdrill“-Verfahren, bei dem durch Ausbohren der nicht benötigten Metallisierung im durchkontaktierten Loch dazu beigetragen wird, die „Schlaglöcher“ in der Datenautobahn zu beseitigen. Jedoch reichten diese Maßnahmen nicht aus, um die Familie für den nächsten Schritt über 25 GBit/s zu optimieren.

Deshalb wurde der Impel-Steckverbinder entwickelt, der sicher die 25-GBit/s-Anforderungen erfüllt und das Potenzial für weit höhere Datenraten hat!

Was ist neu beim Impel-Steckverbinder?

Bild 1: Beim Impel-Steckverbinder "begleiten" Massebahnen, die an den Kanten der U-förmigen Schirmbleche kontaktieren, die differentiellen Paare.
Bild 1: Beim Impel-Steckverbinder "begleiten" Massebahnen, die an den Kanten der U-förmigen Schirmbleche kontaktieren, die differentiellen Paare.
(Bild: Molex)
Die differentiellen Paare in der Baugruppen-Federleiste werden durch zusätzliche Massebahnen „begleitet“, welche an den Kanten der U-förmigen Schirmbleche der Stiftleiste kontaktieren (Bild 1).

Man hat die versetzte Anordnung der differentiellen Paare belassen, aber durch zusätzliche U-förmige Schirmbleche auf der Baugruppenseite erreicht, dass sich das Nebensprechen zwischen den benachbarten Signalpärchen weiter reduziert. Diese Schirmbleche kontaktieren die begleitenden Massebahnen im Baugruppenverbinder mehrfach, um ein stabiles Massekorsett zu schaffen.

Bild 2: Zusätzliche U-förmige Schirmbleche auf Baugruppenseite reduzieren das Nebensprechen zwischen benachbarten Signalpaaren.
Bild 2: Zusätzliche U-förmige Schirmbleche auf Baugruppenseite reduzieren das Nebensprechen zwischen benachbarten Signalpaaren.
(Bild: Molex)
Dies ist erforderlich, weil die Wellenlängen der Taktfrequenz und ihrer Harmonischen bei diesen hohen Datenraten in den Millimeterbereich kommen und deshalb Eigenresonanzen von nicht verbundenen Massebahnen stören können (Bild 2). Beispiel: Datenrate 40 GBit/s, 20 GHz, 3. Harmonische 60 GHz: λ ≈ 5 mm.

Bild 3: Auf der Backplaneseite entsteht durch komplementäre U-förmige Schirmbleche pro differentiellem Paar eine Masseumhüllung.
Bild 3: Auf der Backplaneseite entsteht durch komplementäre U-förmige Schirmbleche pro differentiellem Paar eine Masseumhüllung.
(Bild: Molex)
Gleichzeitig hat man auf der Stiftleistenseite (also auf der Backplane) durch Anbringen von komplementären U-förmigen Schirmblechen erreicht, dass pro differentielles Paar eine Masseumhüllung entsteht (Bild 3).

Die Signaldichte (1,9 mm je Kontaktscheibchen) entspricht der der Impact-Familie, man muss allerdings in der Bauhöhe Zugeständnisse machen. (Die Bauhöhe über Bord bei der 4-paarigen Impact-Bauform beträgt 17,3 mm gegenüber der 4-paarigen Impel-Bauform von 21,3 mm).

Bild 4: Elektrische Daten des Impel-Steckverbinders
Bild 4: Elektrische Daten des Impel-Steckverbinders
(Bild: Molex)
Die elektrischen Werte sind außergewöhnlich. Gegenüber bisher eingesetzten Steckverbindern (grün = Impact Standard oder „Classic“ – blau = Impact XTR) ist die Summe des Nebensprechens bei 12,5 GHz (Clock für 25 GBit/s) um mehr als 12 dB niedriger. Impel-Steckverbinder lassen auch hoffen, dass 40 GBit/s (20 GHz Clock) eine machbare Datenrate für Backplane-Konfigurationen ist, weil selbst bei diesen Datenraten das Nebensprechen unter –35 dB liegt (Bild 4).

Mit dem kreativen Aufbau in Scheibchentechnologie lassen sich diese Steckverbinder als Massenprodukte herstellen, welche die Erwartungen der Industrie bei weitem übertreffen.

Was bedeutet dies für die Daten- und Telekomindustrie?

Das veranschlagte Wachstum der Datenmenge wird größere Bandbreiten in den Cross-Connects, Switches, Routern und Access-Systemen benötigen. Deshalb haben wir in den vergangenen Jahren bereits einen Anstieg der NRZ-Datenraten in den Backplanes von 3,125 GBit/s über 6,25 GBit/s bis zu 10 GBit/s erlebt. Es wird erwartet, dass zukünftige Datenraten bald in Bereiche von 25 bis 28 GBit/s und eventuell um die 40 GBit/s vorstoßen. Interessanterweise werden Einschränkungen für höhere Datenraten jetzt mehr in der Leistungsfähigkeit der Leiterplattenmaterialien gesehen.

Das Stör-/Nutzsignal-Verhältnis ist entscheidend für die Datenübertragung. Es ist die Summe aus Auswertepegel, Übersprechen und Leitungsdämpfung. Dabei ist der Auswertepegel Sache der Halbleiter und das Übersprechen hauptsächlich durch die offenen Strecken der Übertragungsleitung, also durch die Steckverbinder und Vias bestimmt, während die Dämpfung hauptsächlich durch die Leiterplatten (Baugruppen und Backplane) hervorgerufen wird. Das ist der Flaschenhals des Systems.

Neue Materialien für die Backplanes reduzieren durch bessere Dielektrika und geglättete Kupferbahnen die Leitungsdämpfung. Diese Werkstoffe sind jedoch (noch) nicht als Trägermaterialien für die Baugruppen, die durch den Reflow-Lötprozess müssen, freigegeben. Somit ist ein Teilbereich der Übertragungsstrecke von der Verminderung der Leitungsdämpfung ausgenommen.

Die einzigen Auswege hier scheinen eine kompaktere Bauform der Geräte, ein orthogonaler Aufbau des Gesamtsystems oder eine Selbstbeschränkung der Datenrate, beispielsweise durch PAM (Pulsamplitudenmodulation) zu sein, welche dann weitere Einschränkungen beim Übersprechen erfordert. Es bleibt also weiterhin spannend!

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