DesignCon 2025：Samtec/博通的200G PAM4共封装连接器(CPC)

(随着互联速率越来越高，大家都在“炒CP”，既有Co-Packaged Optics，也有Co-Packaged Copper(OCP 2024：立讯精密224G/448G共封装铜互连(CPC)解决方案)，Samtec的这个Co-Packaged Connectors，也是一个高密扇出走铜缆，拉长连接距离的方案。不专业，就按原文来翻译了)

在数据中心不断追求更高带宽和更远传输距离的背景下，传统的 PCB 连接方案已经逐渐暴露出其局限性。特别是在 212G 和 224G-PAM4 时代，系统内部的信号损耗和反射问题成为制约性能的关键因素。本文将深入探讨一种新兴的解决方案——直接封装连接器（Co-Packaged Connectors，简称 CPC），并分析其在实际应用中的优势、挑战和测试结果。

一、CPC 的必要性

下一代数据中心正在向 212G 和 224G-PAM4 进化，对带宽的需求不断增加。然而，传统的从封装到外部的连接方式在通过 PCB 时会遭受显著的信号损耗。例如，当 PCB 走线长度达到 10 英寸时，信号在 53-56GHz 频段的损耗尤为严重，从26 - 53GHz的损耗也翻了一倍。此外，PCB 过孔、封装焊球和封装核心层等结构也会引入额外的反射和串扰噪声，限制了系统的传输距离和性能。

为解决这些问题，近芯片电缆连接器（Near Chip Cabled Connectors，简称 NCC）被提出，通过绕过 PCB 损耗来提升信号完整性。然而，NCC 仍然存在信号损耗和反射问题。而 CPC 则进一步优化了这一方案，通过直接将连接器集成到封装顶部，避免了 PCB 和封装的损耗与反射，从而显著提升了系统性能。

二、CPC 的关键技术优势

（一）信号完整性提升

CPC 的核心优势在于其能够显著降低信号损耗和反射。通过将连接器直接集成到封装顶部，CPC 避免了 PCB 过孔、封装焊球和封装核心等结构引入的损耗。例如，在模拟的通道模型中，CPC 通道相比于传统 PCB 走线和 NCC 方案，在插入损耗和回波损耗方面表现出显著的改善。文中通过对比四种不同方案的通道模型（PCB、NCC、CPC 和 CPC BP），展示了 CPC 在信号完整性方面的优势。在这些模型中，CPC 通道的插入损耗和回波损耗表现最佳，尤其是在高频段（如 53GHz）。

（二）高密度低串扰设计

CPC 的设计需要在不增加封装尺寸的前提下实现高密度连接。研究发现，0.4-0.5mm 的引脚间距是实现 1024 个差分对连接的关键，同时保持封装尺寸小于 100×100mm。此外，CPC 还采用了激进的屏蔽技术来隔离信号对之间的串扰。这种高密度设计不仅避免了封装尺寸的增加，还通过屏蔽技术有效抑制了串扰，确保信号完整性。

（三）低损耗连接

CPC 通过直接连接到封装顶部，避免了传统 PCB 连接中的损耗。例如，文中提到的 CPC 通道在 53GHz 时的插入损耗仅为 22dB，而传统 PCB 方案在相同频率下的损耗则更高。此外，CPC 还通过优化连接器的几何结构（如低擦痕可分离接口）来进一步降低信号反射。图 5 展示了短截线长度对性能的影响，表明在小尺寸设计中，短截线长度的优化至关重要。

三、CPC 的实现挑战

（一）连接器的固定方式

CPC 的连接器通常通过焊接固定在封装顶部。虽然压缩连接也是一种可能的方案，但其存在散热和系统可靠性方面的挑战。焊接连接不仅能够提供更高的系统鲁棒性，还能避免因额外硬件带来的散热问题。此外，焊接连接在应力条件下的可靠性已经得到验证，而压缩连接可能无法满足系统环境的要求。

（二）组装和验证

CPC 的组装和验证过程需要重新设计。连接器可以在芯片安装之前或之后进行焊接，每种方案都有其优缺点。例如，如果连接器在芯片安装之前焊接，一旦连接器焊接失败，整个封装将被废弃。下图展示了不同组装顺序的权衡。如果选择在芯片安装后焊接连接器，则需要考虑额外的热循环对芯片的影响，这可能会增加芯片失效的风险。

（三）信号完整性挑战

CPC 的信号完整性设计需要特别注意连接器的几何结构。例如，连接器的擦痕长度（wipe）和短截线（stub）长度对信号反射有显著影响。文中展示了短截线长度对性能的影响，表明在小尺寸设计中，短截线长度的优化至关重要。对于 92Ω的阻抗设计，传统连接器在减少擦痕时会改善信号完整性，但对于共封装设计，短截线必须经过优化并严格控制。

四、测试与验证

（一）回流焊测试

回流焊测试是 CPC 组装过程中的关键步骤。通过在 PCB 试片上进行试验，优化了焊接参数，包括焊锡量和环境条件。测试结果表明，不同焊锡量对连接器的信号完整性有显著影响。图中展示了不同焊锡量的横截面对比。通过 X 射线和横截面分析验证了回流焊的工艺，确保焊接质量。

（二）通道测量

CPC 的通道测量结果表明，其性能满足 212G-PAM4 和 224G-PAM4 的要求。例如，实测的CPC 连接器的插入损耗和回波损耗测量结果，与仿真模型高度一致。此外远端和近端串扰的测量结果，表明 CPC 在高频段（如 40GHz）的串扰水平极低。在 112G-PAM4 等级的双轴电缆中，32GHz 的特征在插入损耗中可见，但这并不干扰带宽、回波损耗、阻抗或串扰的设计评估。

（三）误码率测试

CPC 的误码率（BER）测试结果表明，其性能优于传统方案。例如，CPC 通道在 300mm 电缆长度下的误码率测试结果，显示在 30 秒的测试时间内无误码。此外，还展示了更高损耗通道的误码率测试结果，尽管使用的是 112G-PAM4 OSFP 连接器，但误码率仍然很低。测试中使用的 OSFP 连接器仅支持 112G-PAM4，其损耗和噪声高于 224G-PAM4 等级的组件，但 CPC 通道仍能实现较低的误码率。

五、结论

CPC 作为一种新兴的连接技术，在 212G 和 224G-PAM4 时代展现了巨大的潜力。通过直接将连接器集成到封装顶部，CPC 不仅显著降低了信号损耗和反射，还实现了高密度连接和低串扰。尽管在组装和验证过程中存在挑战，但通过优化设计和工艺，CPC 已经成功实现了零误码的传输性能。随着技术的不断成熟，CPC 有望成为未来数据中心和高性能计算系统中的主流连接方案。