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符合VITA57标准的国内外连接器对比分析

2024-10-17 161 上传者：管理员

摘要：介绍了VITA57系列标准，对VITA57标准接口连接器的规定展开了说明。结合该连接器在国内外的应用和研发情况，对国内外产品进行了产品结构、接触方式、锡块安装方式、性能指标、使用方法等方面的对比分析研究。对VITA57标准及其标准接口连接器在国内的发展前景进行了展望。

关键词：
VITA57
产品结构
标准接口
焊接
锡块安装方式
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1、引言

VITA57是由ANSI 发布的专门针对FPGA 高速子板接口的全新标准[1],是军用夹层板连接器主流。VITA57具有小型化、功能可扩展、配置灵活、可靠性强、高带宽、高数据吞吐量、低延迟等特点，旨在满足日益增长的信号传输带宽需求并提供更多的信号引脚数，符合电子设备高速化、小型化发展需求。

VITA57为FPGA的I/O 夹层模块提供了一个机电标准[2]。VITA57标准定义了主处理芯片的载板和子板结构尺寸，载板与子板的连接器及其引脚电气属性和电源配置。

2、VITA57系列标准

夹层卡为嵌入式系统添加特定功能，连接在基础卡或载卡上，因此可以轻松更换。对系统设计人员而言，既可灵活配置，又能轻松升级。FPGA 夹层卡是高性能嵌入式计算平台中的关键夹层。

VITA57.1标准是目前近100个VITA 标准中下载最频繁的规范。VITA57.1在许多使用FPGA技术的计算机细分市场中非常受欢迎。VITA57.1标准对于FPGA供应商制造基板及综合开发工具包来说至关重要，支持设计师加速应用开发过程。

VITA 57.4是VITA 57系列的最新标准。VITA 57.4标准将千兆接口的数量从10个增加到32个，最大数据速率从10 Gbps提高到28Gbps。与单芯片解决方案相比，VITA 57.4能解决基于夹层卡的 I/O 的许多不足，同时提供更高的灵活性和性能。同时VITA 57.4标准具有后向兼容，符合VITA 57的发展历史并满足其用户群体需求，VITA57.1和VITA 57.4对比见表1。

表1 VITA57.1和VITA 57.4对比表

2.1 VITA57标准对接口的规定

VITA57.1连接器有两种规格，一种是具有160个引脚的低引脚数 (LPC)连接器，另一种则是具有400个引脚的高引脚数(HPC)连接器[3]。HPC和LPC 接口的外形尺寸相同，区别是LPC接口最外侧四排和中间两排不装接触件，示意图见图1。

HPC和LPC 连接器均支持高达2Gb/s的单端和差分信号传输速率，其中两种连接器分别定义了一定数量的 FPGA 高速串行信号对，其信号传输速率高达10Gb /s。

图1 HPC和LPC连接器对比

基于原有VITA57.1,VITA57.4采用了更为大型的高速高密度开放式连接器。VITA57.4连接器有560个接触件，型谱为14×40。此外，提供型谱为4×20的辅助连接器。VITA57.4接口比VITA57.1接口多 4×40个引脚，但VITA57.4接口可以向下兼容VITA57.1接口，接口对比见图2。

图2 VITA57.4和VITA57.1接口对比

3、国内外产品对比分析

随着设备多信号、小型化、高速化的发展趋势，高密度夹层连接器将成为未来板间连接器市场的主流。本文针对符合VITA 57标准的国内外连接器进行产品结构、接触形式、锡块安装方式、性能指标、焊接方法等方面的对比分析。

3.1 基本结构对比

国外连接器由基座、单触点簧片、刀片型锡块三部分组成，基座有定位钉便于安装固定，并有防反标识，如图3所示。

图3国外连接器

国内连接器基于VITA57标准，在国外单一高速信号基础上，开发集高速、射频、光信号于一体的混装型小型加固高速夹层板间连接器，满足电子设备多信号、小型化、高可靠、高速化的多信号集成传输发展需求。

国内连接器由金属外壳、基座、三触点簧片、刀片型锡块、射频线缆组件、MT光阵列、附件组成，如图4所以。为满足不同的信号需求，可进行模块化组合，实现射频、差分、光纤、电源等模块任意组合。

图4国内连接器

一体式机加成型外壳具有保护基座组件及防误差识别功能，提高产品抗振动、冲击、电磁屏蔽性能。具有多种材料和镀层，满足不同场合需求。基座设计有定位钉便于安装固定。三触点簧片形成非悬臂梁结构，减少平行表面面积，从而减少侧向耦合和串扰，提高振动冲击环境下可靠性。射频线缆组件采用分体设计，降低零件加工难度，使装配和取卸方便。MT光阵列采用分体浮动设计，方便组合安装及误差补偿，实现光信号的精准传输。

国内产品在信号类别、结构可靠性、材料、镀层等方面优于国外产品，可满足严苛环境的应用，国内外连接器结构对比见表2。

表2 国内外连接器结构对比表

3.2 接触形式对比

高频振动对于电连接器的接触可靠性有十分重要的影响，振动会造成接触部位摩擦和发生相对位移，进而影响信号传递失败。一般情况下，由于连接器簧片在工作过程中，接触界面始终有一定的接触正压力存在，振动不会造成连接器触点的断开。

在动态情况下，当外界振动频率与连接器的某阶固有频率相近时，会造成连接器簧片产生相应的共振模态，使簧片产生影响接触可靠性的振动，其幅值可达到静载作用下相应激励幅值的几十至上百倍，使连接器触点磨损加速甚至产生触点脱离接触区域现象而造成断路。

相较于国外单触点悬臂梁簧片(如图5所示),国内折弯开槽三触点簧片可以增加接触点位。通过基座实现插拔过程的双支撑，从而形成非悬臂梁结构，保证了三点同时接触(如图6所示)。用基座来实现簧片限位，防止变形和不稳定的接触状态。三触点簧片式接触件不但可与国际标准规定产品兼容、实现接口和性能互换，而且增强了连接器在高振动、冲击环境下的高可靠接触。

图5国外单触点簧片

图6国内三触点簧片

3.3 锡块安装方式对比

国外锡块与簧片尾部采用冷铆工艺进行机械固定，如图7所示。由于锡块本身保持力较弱，在拿取、运输过程中受到碰撞易脱落。国内为改善 “锡块” 与簧片尾部固定性，将“机械冷铆”更改为“冷铆”后再“翻铆”(如图8所示)并加固处理，比原工艺的连接固定性增加，从而提升锡块保持力，如图9所示。

图7国外产品锡块

图8翻铆示意图

图9国内产品锡块

将国内外样品进行对比测试，国内锡块保持力优于国外样品，锡块保持力测试结果见表3。

表3 国内外锡块保持力对比

3.4 主要性能指标对比

国内连接器在国外连接器单一高速信号基础上，集高速、射频、电源、光信号于一体，满足小型化设备多信号集成传输发展需求。国内外产品主要性能指标对比如表4所示。

从表4可知，机械性能指标中冲击国内外产品指标相当，国内产品正弦振动、随机振动指标优于国外。国内产品较国外产品在电气性能、盐雾、质量等级方面均有提高，满足军用严苛环境下的信号传输要求，符合装备信息化发展趋势，具有广泛的应用前景。

表4 国内外产品性能指标对比

3.5 焊接对比

国外锡块凸出簧片尾部高度尺寸比国内大，并且锡块与簧片尾部机械铆接，所以锡块与簧片之间热阻大。锡块表面容易形成致密氧化膜，焊点润湿效果不佳，如图10所示。

图10润湿不佳焊点形貌

连接器簧片属于金属材料，PCB通常采用FR4(除金属材料外，含有非金属材料)。簧片比PCB导热率大升温迅速，使得锡块比锡膏优先熔化。“熔化后的锡块”受温度影响向上爬，此时若锡块高度尺寸偏高(如图11所示),导致“簧片尾部与PCB距离过大”,上爬的“熔融锡块”不足以与“熔化后的锡膏”相熔，故容易出现虚焊[4],如图12所示。

图11锡块过高虚焊原理图

图12虚焊焊点形貌

国内锡块凸出簧片尾部高度尺寸比国外小，回流焊后基座贴板效果好，焊点不受力。锡块与簧片尾部加固处理，可消除锡块与簧片之间热阻。为避免锡块体积小造成焊锡量不足，在连接器贴板前进行预植锡处理。利用预植锡钢网，将焊膏预刮在印制板上(如图13所示),先预回流焊接一次(不放产品),预植锡效果如图14所示，后续用钢网印刷焊膏、连接器贴板，继续正常回流焊操作即可。

图13预植锡锡膏印刷

图14预植锡效果

3.6 对比小结

3.6.1 产品主要相同点

国内外产品相同点如表5所示。

表5 国内外产品主要相同点

3.6.2 产品主要不同点

国内外产品不同点如表6所示。

表6 国内外产品主要不同点

4、结语

通过国内外VITA57连接器对比分析可知，国内连接器集高速、射频、电源、光信号于一体，具有高速率、小型化、轻量化、高可靠的优点，可广泛用于航天、航空、兵器、船舶、电子等领域，如小型无人机、小型无人车、低轨微小卫星、火箭弹、鱼雷等等装备，具有广阔的应用前景。

参考文献: