QSFP-DD背对背贴装技术方案梳理

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1.前端口设计技术路线

国内互联网企业数据中心在构建数据中心交换机的互联部分，以 4 通道的前端口为常见，如：QSFP28，QSFP56 等。4 通道前端口由于在连接器处的扇出实现相比 8 通道在信号集成上难度相对较低，易于硬件设计实现。

为实现上图交换机的设计，有多种技术方案可选：

PCB + 扣板方案

此方案需要 4RU 高度的机箱，前端口选用4 通道连接器，在机器中间设置一张交换主板，然后在其上方和下方各设置一张扣板，扣板与主板之间使用扣板连接器进行连接。该方案的优点是方案成熟、端口散热无风险；可改进之处是 C2M 链路需要通过一级连接器，信号集成实现有一定难度，且存在扣板连接器选型以及加工可靠性的技术问题。

PCB + Flyover cable 方案

该方案需要 4RU 高度的机箱，前端口使用4 通道连接器，在机器下半部分中部设置一张交换主板，然后通过Flyover cable 构建机器上半部分的前端口。该方案线缆无信号集成风险，但整机实现有难度且成本相对较高。

插卡方案

该方案需要 4RU 高度的机箱，前端口使用4 通道连接器，在机器后部中间设置一块交换主板，通过板间正交连接器连接8 块子板。每块板上需要有 PHY 作为高速信号的中继。此方案成熟，架构简单，端口灵活，无技术难点，但相对功耗较大，并且成本高。

上述数据中心核心设备可选方案在前端口均可使用4 通道的连接器实现，在连接器处的高速信号扇出处均不存在信号集成风险。

2.8 通道前端口

QSFP-DD 背对背贴装解决方案此方案在实现上述交换机同等带宽时，只需要2RU高度，前端口使用 8 通道连接器。在机器中间只需设置一块交换主板，主板两端背对背贴装堆叠的 QSFP-DD 连接器。此方案架构简单、机箱成本最低。其限制在于只能实现 8 通道前端口的连接器方案。且技术难点在于 PCB 布线在连接器处的扇出技术难度较大。

3.基于 QSFP-DD 前端口的PCB 设计的相关技术方案分析 

插针型方案

该方案可以实现双倍密度 QSFP56 的走线在连接器处完全扇出，由于该连接器属于插针型连接器，需要在PCB 上的特定位置设置特定形状的过孔，且不能对该孔进行信号完整性优化。为保证插针的安全可靠性，需要给过孔保留一段较长深度，其背钻残桩必须满足上述要求。因此其第 3 层不能作为高速信号的扇出走线层，从而增加了 PCB 的叠层层数与厚度，为 PCB 的制作和生产带来挑战并使PCB 最终成本上升。 该方案由连接器厂家推出，由于连接器和底板耦合度较高，故在实际操作中，作为典型参考设计，在国内使用较为普遍。

表贴方案一

该方案通过使用多次层压的高级 PCB 制作工艺，分别制作PCB叠层的上半层和下半层，通过这种方式制作的上半层的过孔和下半层的过孔在水平方向不存在相互间制作工艺的限制以及信号完整性问题。该方案可以很好的解决 QSFP-DD 背对背贴装连接器处的高速信号扇出问题，但多次层压会对 PCB 制作工艺带来挑战从而大幅提高了整个 PCB 的制作成本。

表贴方案二

该方案在 PCB 顶层表面和底层表面分别设置一个或多个盲孔；通过各盲孔扇出分别贴装于 PCB 的顶层表面和底层表面的两个待贴部件的一个或多个信号线；盲孔的数量和位置根据PCB的顶层表面或底层表面上贴装部件时布线空间的大小进行配置；PCB的顶层表面或底层表面设有将待贴装部件中未通过盲孔扇出的信号线进行扇出的一个或多个过孔。该方案利用盲孔和通孔相结合的方式，解决了在 PCB 表层，底层相同位置同时安装QSFP-DD 连接器时信号线的顺利扇出，并保证了较好的信号完整性。

表贴方案三

该方案分析了 QSFP-DD 背对背贴装连接器在顶表面和地表面所有信号沿同一方向扇出的缺点，指出需要在顶表面和地表面在不同方向的扇出，同时利用盲孔这种高级 PCB 技术，实现了在有限空间内同时扇出顶表面信号和底表面信号，该方案可以有效地实QSFP- DD 背对背贴装连接器所有高速线的扇出，但是在某些情况下需要给回流地孔也设置盲孔，从而影响到了回流路径和阻抗控制。

表贴方案四

该方案在 PCB 顶表面和底表面的连接器引脚足迹指向的两个180 度相反方向设置高速信号过孔，同时为满足高速信号线扇出的需求，利用盘中过孔的高级 PCB 制作技术来设置表底两层的不同电连接过孔，最大程度保证了相邻两层焊盘之间的空间可以被一对高速信号线安全通过。在对电连接过孔背钻时，对背钻的一面周围的连接器在 PCB 上的引脚足迹进行了削盘处理，以此保证背钻过程的生产安全性。该方案利用焊盘的两个方向设置电连接过孔出线的方式，有效降低了单方向高速信号线高密度扇出带来的问题，同时利用盘中孔等高级 PCB 制作技术，保证了高速信号在背对背贴装QSFP-DD 连接器处扇出满足信号完整性要求，而成为一种非常有效的技术方案。

表贴方案五

表贴方案五在实现技术可行性的前提下，追求极致的成本控制。借助连接器引脚焊盘两个相反方向扇出表层走线的经验，并把个别高速信号孔拉出连接器引脚足迹区域，通过优化设计，在取消了不必要多次层压，不必要 VIPPO 并且不必要制作盲孔的基础上，实现了 QSFP-DD 背对背贴装连接器的扇出。鉴于该方案避免使用多次层压、盲孔和VIPPO的高级PCB技术，从而最大程度节省了 PCB 制作的成本。