前言
随着电子通信技术进入5G时代，带来了对于信号传输速率和互连通道的更高要求，这对封装设计、PCB设计和互连通道设计带来了新的挑战。为了满足大数据应用的业务场景，数字电路的载体已经不再是一块简单的单一PCB板，而是由各个子系统组合而成。这个系统的组成主要由电路中的元器件、PCB互连线以及连接子板的高速连接器构成。高速连接器作为连接各子系统的桥梁，已经成为子系统之间数据传输速率提升的瓶颈。因此，高速连接器的设计与仿真已经成为高速互连系统设计和仿真技术的关注点之一。”
高速连接器建模与仿真挑战
高速连接器主要由壳体、绝缘体和金属导线三个部分组成。
壳体是高速连接器的外壳部分，它主要发挥的作用是保护高速连接器内部的金属导线，以免受到损伤，同时还可以提供屏蔽保护，有效地保障了高速连接器的信号完整性。
绝缘体在高速连接器中扮演着非常重要的角色，它不仅可以固定金属导线和插孔的位置，还能确保各个金属导线之间的电气绝缘。此外，绝缘体的一个重要作用是实现高速连接器之间的阻抗匹配，以获得更好的信号完整性性能。
至于金属导线，在低速情况下，它只是传输电流和信号的普通导体。但在高速情况下，信号在金属导线之间传输时会呈现出电磁波的传输模式。因此，在设计高速连接器时，需要认真考虑金属导线的大小、形状、长度等因素，这些因素将直接影响高速连接器的性能。
图1
高速连接器
高速连接器参数化建模挑战
高速连接器是一种结构复杂、设计精密的器件，其模型的主要创建方式有两种：第一种是使用专业的计算机辅助设计（CAD）工具进行建模，并导出通用的3D格式，以便用于信号完整性分析。然而，这种方法面临的挑战是需要兼容多种不同的CAD工具输出的3D文件格式，并将其导入到工具中进行建模。第二种方式是由工程师直接在仿真工具中手动创建复杂的连接器模型，这种方法要求工程师对连接器的结构非常熟悉，并且仿真工具需要具备灵活的编辑功能。
高速连接器与PCB协同仿真挑战
高速连接器和大部分连接器一样，主要由公头与母头组成，传输部分在母头部分。值得注意的是，公头与母头接触的位置存在一个便于插拔的空腔，这是设计中的一个难点，因为公头与母头的结构需要同时满足机械性能和信号完整性的要求。差分传输方式决定了高速连接器差分对之间的传输时延需要一致，但由于连接器结构为90°结构，导致差分对之间的一根引线长度和另一根引线长度不一致。为了弥补这些差异，连接器工程师常常利用电磁波在介电常数较高介质中速度较慢的特点，采用Skew补偿技术在包裹传输线导体的介质上挖取一些小孔以加快传输速度。此外，连接器中信号较多，空间较小，在传输过程中存在复杂的电磁场环境，串扰也是高速连接器仿真时需要关注的指标。连接器与PCB连接常采用压接方式与PCB连接起来，而PCB上的压接过孔对连接器的整体性能也会产生很大影响。因此，连接器与PCB协同仿真是连接器设计过程中必不可少的一个环节。
高速连接器建模与仿真解决方案
本篇文章主要使用Hermes对连接器进行建模与仿真分析。
Hermes是芯和半导体的一款功能强大的三维全波电磁仿真工具，主要包括两个模块：Hermes Layered和Hermes 3D，如图2。这两个模块可以互相兼容，使得工程师们在建模和仿真分析连接器时可以更加便捷。
使用Hermes Layered进行建模非常简单。工程师们只需要将主流ECAD工具输出的版图文件导入到Hermes Layered中，就可以自动生成3D模型。同时，模型切割和添加端口等操作也都可以通过自动流程来完成，从而大幅提高了建模效率。
对于3D模型的编辑，Hermes 3D提供了非常灵活的功能。用户可以通过自定义任意图形，来满足具体的建模需求。此外，Hermes 3D还支持参数化建模，这意味着用户可以根据需要自由地调整模型的各项参数，从而实现更加精确的建模效果。
除了在建模方面的优势，Hermes在电磁计算方面也具有非常高的精度。这得益于其自适应网格剖分技术和有限元算法，确保对任意三维结构在任意频段都能够具备较高的求解精度。这样一来，工程师们在进行电磁仿真分析时，就可以更加准确地预测和分析连接器的性能和响应。
图2
Hermes 模块介绍
图3
Hermes工作流程介绍
高速连接器参数化建模方法
在Hermes 3D模块中，工程师可以使用丰富的图形绘制功能来创建高速连接器模型。支持的绘图功能包括：
1.一维和二维图形：直线、折线、弧线、圆形、矩形、椭圆形、多边形等；
2.三维图形，包括立方体、圆柱形、锥形、多棱柱、金线等；
3.支持图形之间的布尔运算，包括合并、相减、切割、相交等；
4.支持所有图形的移动、翻转、镜像、拉伸等操作；
5.支持过孔、焊球、金线模型以模板方式创建。
在图形创建过程中，变量设置功能可用于参数化建模，这有助于工程师们更加精确地控制和设计连接器模型。变量设置包括但不限于：材料属性、尺寸等。这使得工程师们能够根据实际需求灵活地调整模型的各项参数，从而实现更加精确的建模效果。
图3
Hermes 3D图形绘制功能
点击Bus Pins，进入Bus设置界面。左侧同时选中同一器件的同一Byte信号，包含DQS，点击“Combine into bus”完成一组Bus设置。设置完成可以对Signal Name重命名，方便后续查看信号。完成重命名后，选中全部信号，右键选择Copy Signal，分别点击其他Bus，在Signal Name栏右键选择Paste Signal，完成所有Bus信号的重命名。
点击OK，完成Bus设置。
在Pin Locations中可以通过拖拽完成Bus的连接方向的改变，点击OK完成。
高速连接器与PCB协同建模与仿真方法
在大多数情况下，连接器模型会在专业的CAD工具中创建，并输出通用的3D文件格式，如STP文件。然后，将这些文件导入到仿真工具中进行仿真。图5展示了在Hermes中实现高速连接器与PCB协同建模的案例，其中主要通过以下步骤来实现：
1.通过Hermes Layered流程导入PCB的BRD文件来创建PCB模型。
2. PCB模型创建完成后，可以通过一键导入Hermes 3D流程，形成PCB的3D模型。
3.在Hermes 3D流程中导入高速连接器的STP文件，完成高速连接器模型创建。
4.通过移动的方式完成高速连接器与PCB组装过程，从而完成连接器与PCB的协同建模。
图 5
高速连接器与PCB协同建模案例
Hermes集成了自适应网格剖分技术和有限元电磁算法，使得连接器与PCB模型的电磁仿真计算变得轻松简单。图6展示了连接器的仿真结果。在Hermes中，网格剖分技术和有限元电磁算法的应用，可以准确地模拟连接器与PCB之间的电磁信号传输，从而帮助工程师们更好地理解和优化电磁仿真结果。
图6
连接器仿真结果
总结
高速连接器作为高速互连系统设计和仿真技术中的带宽提升瓶颈已成为该领域的重点关注点之一。高速连接器本身结构复杂，设计精密，因此在仿真设计时面临着许多挑战，如高速连接器参数化建模的难题。此外，连接器与PCB协同建模与仿真也是一项重要的挑战。芯和半导体全新发布的三维有限元仿真平台Hermes具备丰富的图形绘制功能，工程师可以灵活地创建高速连接器模型，并支持参数化建模。同时，Hermes还具备导入BRD文件和STP文件来快速创建PCB与连接器3D模型的功能。通过移动模型，可以快速完成连接器与PCB的装配。最后，利用自适应网格剖分和有限元算法这两项核心技术，可以准确地完成高速连接器与PCB的电磁仿真，并输出S参数与电磁场云图。此外，XHPC技术的加持可以大幅提高Hermes求解大模型的能力。
芯和半导体提供“半导体全产业链仿真EDA解决方案”，是新一代智能电子产品中设计高频/高速电子组件的重要工具，拥有领先的2.5D/3D Chiplet先进封装设计分析全流程的EDA平台。产品涵盖三大领域：：
芯片设计：匹配主流晶圆厂工艺节点，支持定制化PDK构建需求，内嵌丰富的片上器件模型，帮助用户快速精准地实现建模与寄生参数提取。
封装设计：集成多类封装库，提供通孔、走线和叠层的全栈电磁场仿真工具，为2.5D/3DIC先进封装打造领先的统一仿真平台，提高产品开发和优化效率。
系统设计：基于完全自主产权的EDA仿真平台，打通整机系统建模-设计-仿真-验证-测试的全流程，助力用户一站式解决高速高频系统中的信号完整性、电源完整性、热和应力等设计问题。
芯和半导体是一家从事电子设计自动化（EDA）软件工具研发的高新技术企业，以仿真驱动设计，提供覆盖IC、封装到系统的具备完全自主知识产权的全产业链 EDA 解决方案，支持先进工艺与先进封装，致力于赋能和加速新一代高速高频智能电子产品的设计，已在5G、智能手机、物联网、人工智能和数据中心等领域得到广泛应用。
芯和半导体创建于2010年，运营及研发总部位于上海张江，在苏州、武汉、西安设有研发分中心，在美国硅谷、北京、深圳、成都、西安设有销售和技术支持部门。如欲了解更多详情，敬请访问www.xpeedic.com。
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