USB —— 通用序列匯流排。 我們來逐字解釋：

	通用：適用於所有場合、所有人。
	序列：相對於平行匯流排，額外資料會加入資料流程中。
	匯流排：一堆電線。

USB 已經存在了很長一段時間，被廣泛認為是快閃記憶體或 U 盤的連接形式，相信大家手邊都有。我們的手機可能也配置了微型 USB，或是更微型的 USB Type-C 連接器。

這個小玩意兒的奇妙之處在於能夠處理多個任務。它既是一個充電埠，又是一個資料埠，更是一個顯示埠。我們即使把它裝反了也沒有關係，它並不像其他處理器那樣存在極化（早期的 USB 會出問題）。

在 USB-C 流行之前，我剛好在研究 USB-C 協議。 當時，Google 是其規範開發聯盟的成員。2015 年初，我嘗試在電線和插頭之間創建一小塊電路並把它藏在充電器中。電路板連接器則緊隨其後。

大多數人只對位於 PCB 上的那一半連接器對感興趣。如果你沒有在設計中使用過 C 型連接器，那麼對以下的情況你可能會感到驚訝：首先，它遠比傳統 USB 埠複雜。

即使是最先進的 PCB 製造商也會為製造它而煩惱。也許有例外情況，但我從未找到一個供應商可以順利地用一個封裝完成所有要求。我們大多數人每天都需要為手機、平板或電腦充電，這造成了對連接器的頻繁使用和拖拽。我的電腦雖然配置了四個 USB-C 連接器埠，但總有一天它們都會被損壞。

基於這個原因，連接器供應商通常會指定一個非常受限的幾何圖形封裝，並傾向於在非電鍍孔和非電鍍槽上的位置和尺寸容差是非常緊湊的。這是在第一次鑽孔和佈線之後進行的第二次鑽孔，用於電鍍孔和電鍍槽。用於連接器主體的電鍍槽通常會被推到電路板的邊緣。表面貼裝焊盤則正對著非電鍍孔。如果我們擔心整個器件的 Z 高度，我們將不得不使用安裝在 PC 板插槽中的中置連接器。這個小裝置可為一排引線添加通孔，同時可保留一排表面貼裝焊盤。這樣我們就有了非電鍍孔和非電鍍槽以及槽中的電鍍孔，它們的位置非常鄰近。

當我們有一個定位孔時，金屬回拉總是比電鍍孔的回拉嚴重。這部分的工藝流程是鑽孔、電鍍、再鑽孔。經過這些步驟之後，再將電路板放入用於非電鍍孔的夾具中。這一過程可能不是同一個操作員經手、或者使用工廠內的同一台機器，因此自然可能導致變化，這就是非電鍍孔周圍留有較大禁制區的原因。按照供應商的保守封裝，製造商很可能會給我們提出如下可製造性（DFM）要求：

「 我們可以增加非電鍍孔 / 槽的容差嗎？ 」
「 我們可以在電路板的邊緣剪掉電鍍槽的焊盤嗎？ 」
「 我們可以將 SMD 焊盤從非電鍍孔中修剪掉嗎？ 」
「 我們可以移動或刪除這些插槽嗎？ 」

相信我，即使是擁有業內頂尖技術的製造商也會提出這些問題。即使是能夠可靠地刻蝕 40 微米走線和空間的製造商，也難以應對 USB-C 連接器的封裝挑戰。

去年，我在 DesignCon 參觀了幾家連接器供應商：安費諾（Amphenol）、臺灣嘉澤（Lotes）、三達（Samtek）、泰科電子（TE）等。在 Lotes 展臺，他們有一個直徑約 8 英寸的圓形板並裝有不同版本的 USB-C 連接器。我半開玩笑地和 Lotes 代表說應該將產品手冊帶給展會現場的每個 PCB 製造商，並要求他們對各自推薦的封裝進行 DFM 研究。可見，這是一個巨大的挑戰。

四年以來，我們已經代表製造商和我們的利潤潛力與連接器供應商進行了商談。帶有電鍍槽和引腳從邊緣拉入設計的新產品不斷進入市場。我們可以透過標準鑽孔操作進行扇出，我們可以找到遠離連接引腳的非電鍍槽/孔對。這有助於製造商提供另一種佈線優勢。接下來的內容解釋了這麼做的重要性。

你的產品有足夠的軟性設計嗎？

容差在軟性電路中更難實現，因此當我們在六層軟性電路上放置 C 型連接器時，會出現後座力。由於超高速差分對的隔離和筆記型電腦的電源要求，這不是一個非常靈活的軟性設計。事實上，由於特殊的零插入力（ZIF）柔軟性連接器在邊緣連接器上沒有足夠的握力，我設計的設備並不能通過混凝土測試中的三英尺跌落測試。因此，我們的物理設計師迅速製作了一個從一側懸臂伸出的小支架， 而我則清除了走線。

不出所料，軟性電路的供應商在嚴格的限制條件下畏縮不前，並希望降低參數要求和為阻焊層開口。在這一點上，我們的物理設計師回應很讚。他告訴供應商他們正在進行製造和裝配（通常是軟性裝置），並且他們將自己負責所有與此專案相關的故障。據我猜測，這種承擔責任的做法使得連接器供應商想要一個完美的初始封裝。如果不遵守他們的設計標準，他們就不會負責這個問題。

當元件供應商的要求超過晶圓廠或裝配供應商的能力時，我們應該採取什麼行動呢？答案很簡單：把他們聚集起來，商量折中的辦法。

深入瞭解佈線問題

現在我們有一個可以由至少一家公司生產的 USB-C 連接器封裝了。我們可以將所有 ESD 保護二極體放在連接器上以保護其他精密設備。佈線時我們會注意到在連接器中間有一對差分走線，它們無論經過 SMD 還是通孔都從後排連接到前排。這四個引腳代表傳統的 USB 2.0 介面。 請記住，由於沒有極性差異，配對連接器必須正面朝上或反之才能工作。我們得到的是一個非常短的差分對，它在引出 ESD 抑制電路之前穿過 P 極和 N 極。

我們通常可以透過過孔進入電路板而不跨越差分對，然後沿著我們進入的方向在另一層開始佈線而不是在線性路徑中。但是這種技巧在該類型的連接器周圍的有限空間內非常難以實現。我們不妨來用一個模擬設計中的老辦法。PCB上列印的標準耦合器由四個埠組成，這些埠代表模擬設計中的輸入、輸出、終止信號和耦合信號。輸入埠是終止埠的直接 DC 連接，而終止埠則連接到另一個引腳上的接地電阻。兩條線路的長度以及它們之間的間隙將確定耦合量，3 dB、10 dB 和 20 dB 比較常見。由於該線路與另一條線路並排佈線，耦合埠和輸出埠均獲得電能。

另一方面，正交混合耦合器在相鄰層上運行兩條線，終止埠在相對側而不是在與輸入相同的一側終止，形成了 X 形狀，而交叉則被拉長以實現耦合。

回到 USB-C 型連接器。由於可能位於不同層上，我們將兩條線從中心引腳或通孔中拉出，並創建一個寬邊耦合對而不是邊緣耦合對以便跨越。我認為這是該佈線計畫的最佳解決方案。在這種情況下，我使用了第 8 層和第 9 層以及微通孔焊盤。請注意，我切換了寬邊耦合線連到 ESD 二極體。

我們希望最小化長度，因為你可以根據插入配對連接器的方式接合內側或外側的焊盤。而訊號方面，這是電路的向後相容部分，所以設計來講沒有問題。

我們已經完成了四個引腳，還有 20 個。接下來的四個是很有挑戰性的電源引腳。VBUS 或 VBAT 是其通用名稱。以藍色顯示在下方的TI圖中。我們可以透過這兩個過孔拉過來 3 安培。每對引腳上的三個過孔將是我們的優先選擇。由於在受限制的區域，通孔解決方案看起來並不會簡單整齊。

在 USB2.0 部分和電源引腳之間，我們有四個管家訊號。雖然它們看起來是關聯的，但它們在佈線上並不是成對的。我記得被要求過增加其中一些的寬度。

另外四個差分對位於電源引腳和外側接地引腳之間。差異對有一些區域可能會被擠壓，但佈線是走直的。 我們會注意到設備和連接器之間的其他 P 極和 N 極的糾纏。平常的設計技巧即可以根據需要實現位元的翻轉。這些位的網路名稱中可能包含字母 SS。就良好的阻抗實踐而言，超高速佈線需要我們最大程度的關注。

最後，我想強調：USB Type-C 連接器對於製造廠而言是一個充滿挑戰的難題。但是優勢在於它是電源和資料的一體化解決方案。只要我們還處在每秒 10 Gb 速度的時代裡，我們就要學習如何應對。

延伸閱讀

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原文出處

	Oh Say Can You C ? – Grappling with the USB type-C Connector