「플로팅」과 「고속 전송」은 양립할 수 있는가?

당사는 2020년 10월 CEATEC과 동시에 「플로팅 기능과 고속 전송을 “양립”시킨 기판 대 기판 커넥터」로서 「10143 시리즈」의 발표를 했습니다. (2021년 8월까지 25Gbps 대응 검증도 완료되었습니다.)

「“양립”한다”라고 일부러 쓴 것은, 본래 이 2개의 기능·성능이 트레이드 오프의 관계에 있기 때문입니다. 당사 이외의 커넥터 메이커님도, 유사한 컨셉의 제품 릴리스에 있어서, 「상반하는 요구를 양립」이라고 하는 뉘앙스를 보았던 적도 있을지도 모릅니다. 이 과제는 바로 우리 커넥터 메이커의 팔의 볼거리, 기술·개발력을 소비하고 있는 부분의 하나입니다.

하지만 막연히 '상반한다'는 설명만으로 '왜 상반되는 거야?'라는 점은 별로 설명되지 않은 것 같습니다. 관계자는 「상식이겠지」라고 말할지도 모르고, 제품을 사용하는 분에게 있어서도 「그런 것」이라도 끝나는 이야기이기도 할지도 모릅니다. 그럼에도 안에는, 본 테마에 대해 흥미가 있는 분도 계시는 것이 아닐까요? 그런 분을 향해, 「가능한 한 간단하게 설명해 보자」라고 하는 것이 이번의 내용이 됩니다.

플로팅 커넥터 정보

원래 플로팅 커넥터란?

플로팅 = 떠있는 것을 의미하지만 가동 영역을 가진 커넥터를 플로팅 커넥터 라고합니다. 그대로 「가동 커넥터」라고 불리는 것도. 주로 기판과 기판을 연결하는 커넥터에 그 기능을 가지는 경우가 많습니다.

특징 1: 복수의 커넥터를 체결할 때의 어긋남을 흡수

그렇다면 무엇을 위해 "가동 영역을 가지고"있을까요?

전자기기의 고성능화 등에 따라 2개의 기판을 연결할 때 2개 이상의 커넥터를 통한 접속이 필요할 수 있습니다. 예를 들어 아래 그림과 같이 2개의 커넥터가 있었을 경우, 기판에의 커넥터 실장시에 생겨 버리는 「편차」는 아무래도 제로가 되지 않습니다. 이 어긋남이 어느 정도 이상의 크기를 가지고 버리면 2개의 커넥터를 동시에 끼워 넣는 것에 무리가 생깁니다. 만일 어떻게든 조립되었다고 해도, 항상 커넥터의 기판에의 실장부=납땜부 등에 스트레스가 걸려 버립니다. 이 어긋남을 「가동」에 의해 흡수하려고 하는 것이 플로팅 커넥터입니다.

특징 2:조립성 향상

기판상의 실장 어긋남뿐만 아니라, 케이스의 조립시에 강요되는 기판간의 위치에 의한 영향 등도 완화 가능합니다. 커넥터는 보통 스프링성을 가지는 단자를 접속에 사용하므로, 이 형상을 고안해 가동 영역을 갖게 하는 구조가 가장 전형적인 플로팅 구조가 됩니다. 일정 이상의 가동 영역을 가지는 것으로, 기기의 조립을 용이하게 하거나, 실장의 정밀도나 설계에 자유도를 부여합니다.

고속 전송 대응의 중요한 포인트 「특성 임피던스」

특성 임피던스가 중요

이제, 커넥터가 "고속 전송"에 대응하기 위해 중요한 포인트에 대해 이야기를 옮깁니다. 고속 전송에 대응하는 전송로를 평가하는 데에는 몇 가지 중요한 파라미터가 있습니다. 그 중에서도 커넥터와 같은 비교적 거리가 짧은 전송로 부품에서는 특성 임피던스가 특히 중요합니다.

특성 임피던스란?

아시는 분도 계신다고 생각합니다만, 특성 임피던스에 대해서 조금 설명합니다.

고주파 신호는, 그 파장에 대해서 충분한 크기를 가지는 특정 전송로, 부품이나 부위를 통과할 때에 「존재할 수 있는」전류와 전압의 밸런스가 그 물건에 의해 정해져 버립니다. 이것은 이제 자연 현상이라고 할까, 룰과 같은 것입니다. 그리고 특성 임피던스는 이때의 전류와 전압의 비를 취한 것입니다(전류/전압=따라서 단위는 저항과 같은 Ω가 됩니다).

"신호 반사"라는 현상

문제는, 연속하는 물건이나 개소, 인접한 상태로 이것이 다르면 어떻게 되는 것인가라는 점입니다. 간단한 예가 아래 그림에 나와 있습니다. 50Ω 특성 임피던스를 통해 전달되는 50V 신호 전압은 1A 전류를 수반합니다. 이것이, 100Ω의 특성 임피던스 중에 침입했을 경우 어떻게 되어 버리는 것인가? 전기 신호에 있어서, 그것이 전해지는 과정에서 「전압」 「전류」 「전력」 모두가 연속이 아니면 안됩니다. 그 철쭉을 맞추기 위해 신호의 일부가 "역류"하는 현상이 발생합니다. 이것을 「반사」라고 하며, 특성 임피던스의 불연속이 발생했을 때에 발생합니다.

왜 반사가 문제인가?

그렇다면이 반사는 어떻게 신호 전송에 부정적인 영향을 미칩니까?

그것은 아래 그림과 같이 "반사가 있는 것으로 신호의 에너지가 줄어 버린다 = 통과하는 분의 신호가 작아진다"는 것이 가장 간단한 문제입니다. 게다가 보다 심각한 것은, 2개소 이상에서 반사가 발생했을 경우, 재반사에 의해 과거의 신호 성분이 현재의 신호에 합류해 버려 노이즈가 되어 버린다고 하는 문제입니다.

플로팅 구조와 특성 임피던스

다음으로, 플로팅 구조를 가진 커넥터의 특성 임피던스에 대해 설명합니다.

커넥터는 주로 스프링성을 가지는 구리 금속 등으로 이루어지는 「단자」를 「하우징」이라고 불리는 수지 부품에 조립하는 것으로 구성되는 것이 일반적입니다. 커넥터의 특성 임피던스는, 이 금속 부품과 수지 부품의 형상, 사이즈 대비나 거리감 등의 관계로 정해져 옵니다. 아래의 표에 특성 임피던스가 오르는(크게 된다), 내려가는(작아지는) 주요한 예를 간단히 정리하고 있습니다. 여기에서 특히 읽어 주셨으면 하는 것은, 「단자나 하우징의 형상이 변화를 하는 것으로 특성 임피던스도 변화한다」라고 하는 것입니다.

부품 형상이 복잡한 플로팅 커넥터

"만드는"것이 중요

게다가 기구성과 전기 특성을 모두 충족시키면서 제품의 생산성 = 비용도 고려해야 합니다. 장난으로 복잡한 형상을 선택해도 조립성이 성립되지 않거나 좋고 매우 복잡한 프로세스가 필요하게 됩니다. 전술한 예에서 든 단자 형상 등도 단자 가공도 하우징의 조립도 과제의 산이 됩니다. 제품을 부가가치 상당의 가격으로 시장에 투입해 안정 공급하는 것은 메이커의 책무입니다. 따라서, 사정으로 만들어지는 고가의 커스텀 제품을 제외하면, 이 생산성의 확보라는 것은 제약의 하나가 됩니다.

가까운 미래에

물론 생산 기술 혁신이 설계의 자유도를 올려주기 때문에, 작은 것은 당사도 매일 임하고 있습니다. 장래적으로는 새로운 제법의 도입, 금속/수지 모두 3D프린터의 활용(혹은 복합하여 성형도)이 가능해질지도 모릅니다. 최근 진화의 현저한 레이저 가공 기술의 유효 활용도 진행되어 갈 것이며, 그것과는 다른 완전히 다른 제법도 개발되고 있을지도 모릅니다. 그렇게 되었을 때에는, 지금까지 「포기하고 있던」구조가 양산품으로서 성립할지도 모른다고 생각하면, 그것은 그것으로 즐거움입니다.

정리하면 「플로팅 기능을 가지고」 「특성 임피던스가 안정되어」 「생산성이 좋은 구조」의 커넥터를 개발한다고 하는 점이 상반되는 요구를 성립시키는 과제이며, 각 커넥터 메이커가 시노기를 깎고 있는 부분이 됩니다.

특성 임피던스를 고려해야 하는 주파수와 그 부위의 크기

물리적 크기와 주파수

여기까지의 설명에서, 「반사가 문제인 것은 알았지만, 왜 고속(고주파)만으로의 문제인가?저주파 신호에서는 어떨까?」라고 의문을 가진 분도 계실지도 모릅니다. 실제로 전항에서 올린 과제는 고주파가 될수록 현저해집니다. 그 이유는 「(부품 혹은 부위의) 특성 임피던스를 고려해야 하는 주파수와 그 부위의 크기」에 있습니다.

신호 파장

전기신호 = 교류신호에는 길이가 있어 「파장」이라고 불립니다. 아래 그림과 같이이 파장은 고주파에 따라 짧아집니다. 조금 잡음을 쓰는 방법이 됩니다만, 이 파장에 대해서 충분히 짧은 경우에 있어서는 「(약간의) 특성 임피던스의 혼란은 무시할 수 있다」의 것입니다.

고려해야 할 크기는?

그런데, 「얼마의 비율로부터 신경쓰지 않으면 안 되는가?」라고 하는 것은 의외로 어렵고, 혼란의 크기에도 의존합니다. 대학의 교과서 레벨에서도 「1/4×λ(파장) >> 물리장」의 경우는 무시할 수 있는 것은 아니라고 하는 기재가 되어 있습니다(정확하게는 분포 정수 회로로서 취급하는지 집중 정수 회로로서 취급하는지의 구분으로, 올바른 표현은 아닙니다만・・・・분포 정수 회로와 집중 정수 회로에 관해서는 다른 기회가 있으면 설명합니다. 개인적 실체험으로부터의 감각에서는 파장의 1/20위로부터 영향이 나기 시작해, 1/10위의 크기의 것이라면 무시를 할 수 없다고 하는 이미지를 가지고 있습니다. 보다 정확하게는, 개별의 제품의 모델을 HFSS등의 전자계 해석에 걸치는 것으로 찾아낼 수 있습니다.

이미지 이야기입니다.

이 고려해야 할 사이즈는, 「전화 통신 시대에”Km”단위로 일어나고 있었던 것이, 통신 속도가 오르고”Mbps”에 들어갔을 때에”m”단위로 일어나게 되었다.그것이”Gbps”시대의 현재는”mm”단위로 발생하고 있다”라고 하도록 변화해 왔습니다.

한층 더 사족적으로 「이미지의 이야기」를 덧붙여 주시면, 예를 들면 도로에 직경 20 cm의 구멍이 열려 있는 것을 상상해 주세요. 코끼리가 걷고 있어도 그 구멍을 알지 못합니다. 인간이라면 어른이라면 넘어질지도 모르고, 아이라면 얕은 구멍이라면 넘어지는 정도라도 깊은 구멍이라면 다리가 쭉 빠져 버릴지도 모릅니다. 지나간 것이 고슴도치라면 구멍 안에 떨어지고 깊은 구멍이라면 다시 밖으로 나올 수 없을지도 모릅니다. 각각의 통과자의 몸의 크기가 파장, 구멍의 크기가 부품이나 부위, 구멍의 깊이가 임피던스의 변화량이라고 이미지 해 주시면 좋겠습니다.

물리적 크기와 주파수 요약

커넥터는 특성 임피던스에 혼란이 있어도 신호에서 보면 비교적 작은 구멍이었습니다. 그것이 신호의 속도가 오르고, 파장이 짧고 = 몸이 작아져 온 것으로, 커넥터 내부의 말단적인 구조 변화조차도 신호 전송에 영향을 주는 시대가 되어 왔습니다. 그래서 "플로팅 기능과 고속 전송을 양립"이라는 것이 제품의 특색 = 판매 포인트가 될 수 있습니다.

고려하는 것은 특성 임피던스만으로 좋을까?

고속 전송에서 고려하는 것은 특성 임피던스만으로 좋을까?

각종 전송 규격이나 커넥터를 사용하는 입장이 신경이 쓰이는 전송 파라미터로서는, 보다 실동에 직결한 것, 특성 임피던스보다 훨씬 중요・유용시되는 것이 많습니다. 당사에서도 제품 평가나 사양화에는 그러한 파라미터를 중요시하는 것이 대부분입니다. 그러나 커넥터에 있어서는, 그 파라미터를 결정 붙이거나 혹은 악화시킨다고 해도 좋을까 생각합니다만, 그 근원=루트 코즈에 「특성 임피던스의 변화에 의한 반사」가 있는 것입니다.

반사의 악영향

예를 들면, 편리한 S파라미터의 하나인 리턴 로스는 바로 반사를 나타내는 것이며, 전기 길이가 짧은 커넥터에 있어서는 삽입 손실의 열화도 반사가 큰 팩터가 됩니다. 또, 반사점은 결합이 강해져 크로스토크 특성을 열화시켜, 다점 반사에 의한 공진에서의 안테나화는 크로스토크나 EMC에 크게 영향을 줍니다. 특성 임피던스, 특히 국소적인 것은 그 미묘한 움직임에 의해 전송 성능에의 영향도가 바뀌어, 정량 수치로 XX~YY등과 간단하게 사양화하는 것이 어려워지고 있습니다. 그 때문에 최근에는 주로 보다 실용적인 주파수 도메인의 전송 파라미터가 사양으로서 유효하게 되어 왔다. 한편, 특성 임피던스는 「커넥터 설계」로서 본 경우에 중요하고, 어떻게 안정시킬까(변화를 줄이는가)라는 어프로치가 고속 전송으로 이어지는 것입니다.

요약

이번에는 플로팅 기구와 고속 전송 특성의 양립의 어려움을 테마로 그 이유와 대략적인 기술 배경을 설명하였습니다. 당사에 한정하지 않고 현재의 커넥터 메이커가 각사 진지하게 임하고 있는 테마의 하나이며, 그 고생이 다소라도 전할 수 있으면 좋다고 생각합니다. 당사는, 특히 「플로팅과 고속 전송의 양립」이라고 하는 과제에서는 업계의 톱을 달리고 싶다고 생각하고 있어, 그것을 위해서 나날 노력을 쌓고 있습니다. 한편, 동업 타사님의 신제품 릴리스로 훌륭한 컨셉을 보면 분한 한편으로 기쁨도 있는 독특한 감개를 기억합니다. 이렇게 절기 연마해 나가는 것으로, 여러가지 장소에서 고속 신호를 연결하는 것에 앞으로도 공헌해 나가면 좋겠습니다.

여기에 당사의 고속 전송 커넥터에 대한 다양한 대처를 게재하고 있습니다. 꼭 봐 주세요.