USB Type-C自2014年8月發表至今已逾3年多了，這是一個劃時代前瞻性的產品，將原有的電源、資料、音源、影像、網通五大類不同的介面，由多元發展的介面統一規格為USB Type-C介面，防呆式單邊插接習慣將插接，優化為可盲插的正反插接模式，而單向資料傳輸模式，也優化成為雙向可逆的傳輸模式，還有提升電源傳輸速度與資料傳輸速度更是一大提升。
然而，影像類的介面也在此同時陸續發表更新規格，如Display Port升級為V1.4(32Gbps)，行動高畫質鏈結(MHL)也升級為Super MHL，而Thunderbolt也升級為Thunderbolt 3(40Gbps)，高畫質多媒體介面(HDMI)更升級為HDMI v2.1 (48Gbps)。
但除原有介面仍使用，USB Type-C連接器與電纜線已作為可兼容傳輸的介面，可應用於需要高畫質影像傳輸的顯示器與電視，或是應用於高速資訊傳輸的電腦(包括桌上型、筆記型、迷你型)與儲存裝置(如固態硬碟、隨身碟、讀卡器)，抑或是寬頻網路傳輸的網通設備，以及高功率快速充電的相關電源裝置，甚至是無損音樂的相關耳機與音響音源裝置，皆是以USB Type-C介面為主，此乃意謂著USB Type-C介面大一統時代的來臨。
Type-C前景雖看好 惟問題亂象待解
由USB Type-C前景未來看似一片光明美好，但是目前USB Type-C實際的應用，卻面臨相當大的瓶頸有待解決，主要是USB Type-C顛覆傳統為正反插方式，再加上連接器本身為極限尺寸的設計，以及應用產品追求輕薄短小的設計要求，導致連接器介面的設計與製造工藝難度甚高。
除此之外，目前非協會認證連接器與產品充斥，或是以USB Type-C為介面應用的產品，使用了非協會認證的規格，更甚者雖是協會認證連接器與產品，但卻還是面臨者許多的問題仍待解決(圖1)，致使常見下列問題迫切需要被改善：
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| 圖1 目前業界支持USB 2.0 Type-C功能的連接器幾乎都是非標準品，少有經過協會認證。 |
為了防止電路安全問題，所以讓接頭與介面導電端子彈高減少降低；為了優化高頻特性，因此讓接頭與介面導電端子接觸區域微調；為降低成本使用，因而採用未經過協會認證過連接器或電纜線；為遷就產品結構，故使用不符合協會標準的連接器或電纜線；為避免射頻干擾(RFI)，故用降規自創減針版的連接器或電纜線。
滋生的問題包括插頭本身屏蔽殼內壁與上下兩組彈性導電端子發生短路、介面本身舌板上下兩組板狀導電端子與中間屏蔽隔板發生短路、插頭上下兩組彈性導電端子與介面舌板根部接地板片發生短路、插頭前方上下兩組接地彈片與介面上下舌板上下板狀端子短路、介面或接頭導電端子焊接腳於電路板上焊接點表面積小負載大、介面或接頭導電端子焊腳前後或上下排列導致必須串聯阻抗大(圖2~5)。
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| 圖2 公規的USB Type-C焊接腳雙排並列不利於高頻電路走線，導致USB 3.2 20Gbps(USB 3.1 Gen2 10Gbps)應用產品稀少。 |
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| 圖3 公規的USB Type-C兩排焊腳距離過近使得串音與共模嚴重，從USB 3.1 Gen1以上規格就有射頻干擾現象。 |
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| 圖4 公規USB Type-C前後排接腳方式對於過爐貼焊難度 增加，致使目前有取得USB IF TID-No的連接器未如預期。 |
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| 圖5 公規的USB Type-C焊接腳皆為前後排列不利於大電流設計，致使原有的USB PD3.0 5A@100W/20V規格發展遲滯。 |
例如電路板高頻傳輸導體截面積狹小、電路板差分訊號線路傳輸距離長、連接器高頻訊號端子振盪不連續、連接器差分訊號不完整駐波太大、主晶片高頻引腳排列甚差不匹配，以及主晶片高頻訊號衰減自身即嚴重。
問題包括連接器焊腳與電路板焊點疊構不連續，使得近端串音嚴重導致訊號干擾嚴重使得射頻干擾；連接器焊腳與電纜線焊點排列不匹配，使得差模轉換共模導致訊號諧波嚴重影響射頻訊號；連接器自身隔板與外殼接地迴路相接，使得高頻雜訊由接地迴路對鄰近射頻訊號發生共振；自主晶片至電路板到連接器與電纜線，電源負極共地處理方式致使無線天線發生射頻干擾(圖6∼7)。
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| 圖6 USB 3.1 RFI Issue已經被證實的確會在高速傳輸時發生干擾有射頻訊號的裝置 |
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| 圖7 USB 3.1高速傳輸時產生的雜訊會對相關無訊號造成共振導致干擾 |
手機或平板使用的USB Type-C介面主要為易貼焊卻不符合協會標準的單排減針版表面黏著技術(SMT)；手機或平板使用的USB Type-C介面主要為短殼防水不符合協會標準的全殼不露舌板型；常規標準版為雙排SMT或SMT+雙列直插封裝(DIP)混合版於過爐貼焊/維修補焊/更換解焊皆是很不易；常規標準版為雙排SMT或SMT+DIP混合版於電路板線路排布難共面須增疊構層數布線；目前許多的應用產品認證門檻高難以過關，而連接器、連接線、主控晶片較易取得協會認證。
問題罄竹難書 對治改進因應
有鑑於USB Type-C的問題罄竹難書，因此連接器的重新改良設計是刻不容緩的關鍵重點，才能使插頭或介面連接器引腳端的轉接電路板走線排布疊構被改善，進而在電路板搭配的另一端外接電纜線和內接軟排線被優化，甚至是軟排線至主機板上的內置板對板連接器或線對板連接器也需要重新定義設計，如此從頭至尾的全方位考量才能使USB Type-C原來規畫的特性被彰顯普及。
然而，若要全面性的解決方案，必須廣納不同產業的人才，甚至異業結盟，共同研擬出優化的對策，才能有效地進行整合資源做出最佳的方案，其中主要迫切需要整合的方案內容如下：
1.連接器常規標準版為雙排SMT或SMT+DIP混合版焊接腳，腳位排列結構須更新為單排焊接式的SMT型式。
2.高頻差動訊號對兩側參考焊腳，必須從連接器端延伸於電路板，從電路板端走線延伸於控制晶片為四線一組要求。
3.傳統解決靜電放電(ESD)的接地做法為將電源負極與訊號地共接導地，如將電源負極與訊號地獨立走線，可有效緩解射頻干擾(圖8)。
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| 圖8 USB協會在制定USB 3.1 Type-C時，即針對射頻干擾的問題制定測試規範。 |
4.目前業界盛行將高頻差動訊號線設計置於電路板表層，若改採高頻線路走進內層，可使雜訊消除不會造成電磁干擾(圖9)。
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| 圖9 為了解決射頻干擾的問題，USB Type-C在規範內，公頭腔體前加EMC Finger，母座在舌板根部加EMC Pad，這兩項結構設計，不僅使得高頻特性變差，也造成短路問題，更使得射頻干擾更是面臨難解決的困境，因為射頻干擾不是電磁干擾，用解電磁干擾常見的解決辦法來緩解射頻干擾根本是無濟於事的作法。 |
5.在高頻差動訊號線上方覆蓋屏蔽殼為現今最為常用的方法，卻也是在不自覺使得高頻特性變差最直接的做法。
6.若電路板為標準四層的疊構將高頻線路置於第二層GND層，藉由完整乾淨的GND層可使高頻訊號特性優化(圖10)。
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| 圖10 於公告的高頻差動訊號設計在連接器焊接腳於本體內本來兩側有VBUS和GND，但在電路板焊接點的走線，卻是差動訊號對與兩側VBUS和GND分別在電路板的不同層，如此不匹配的訊號設計，也使得高頻訊號因此發生雜訊。 |
7.將電纜線的VBUS與GND及S+S-四根一組形成高頻訊號組，可使高頻訊號於插頭與介面對接後線路完全匹配。
8.插頭與介面連接器中間隔板與端子GND共接不與鐵殼接地，能使連接器上下的高頻訊號對雜訊藉此降低串音。
9.為了使高頻差動訊號對與兩側VBUS與GND發生感應耦合，高頻差動訊號對之間的邊距需小於兩側地電邊距。
10.因連接器焊腳與高頻控制晶片焊腳是唯一無法在電路板內，所以在焊腳處覆蓋斜邊式金屬屏蔽殼可有效防止射頻干擾。
11.因過去高頻走線注重差分訊號對的長度須相等Zero Skew，差分訊號線以蛇形來補長導致差模轉共模嚴重易射頻干擾。
12.於印刷電路板的高頻訊號走線貫孔雖然會使特徵阻抗降低，差動對孔內邊邊距與線內邊邊距等距可使阻抗匹配。
13.因高頻雜訊對射頻訊號產生共振干擾之問題使用濾波元件，但因濾波元件本身高頻特性不佳難以解決射頻干擾。
14.電路板電源正負極線路本身表面積與截面積受到很大限制，USB PD目標5A@100W/20V須改焊腳排列才能完善。
15.於電源正負極焊盤正下方多點貫孔可承受較大功率的電流，電路板本身藉此貫孔以藉由疊構內其他層增加表面積。
解決現況持續推展 USB Type-C未來可期
隨著USB Type-C已經陸續在桌上型電腦(Desktop PC)、迷你型電腦(Mini PC)、一體成型電腦(AIO PC)、筆記型電腦(Notebook)、超輕薄筆電(Ultrabook)、平板電腦(Tablet PC)、電視(TV)、行動電話(Mobile Phone)、機上盒(STB)、傳統硬碟機(HDD)/固態硬碟機(SSD)、數位訊號控制器(DSC)/數位視訊錄影機(DVR)、USB Driver、USB集線器(HUB)、USB Dongle、行動電源(Power Bank)、充電器(Power Charger)等等已被廣泛應用，且規格也逐漸由USB 2.0提升為USB 3.1 Gen.1(5Gbps)，或是躍升為USB 3.1 Gen.2(10Gbps)，甚至是新公布的USB 3.2(20Gbps)。
而對於目前看似USB Type-C的介面，卻是以Thunderbolt 3(40Gbps)的應用更已經成為電腦與電視產業在高畫質影像的標準介面；在電源快速充電的標準USB QC 3.0與USB PD 3.0甫推出至今，尤其是QC 3.0更是已經成為快速充電的主流規格，也因此帶動了USB Type-C以更快的速度來更新過往其他USB介面。
這幾年似乎已難再有新的介面能夠取代USB Type-C，傳統使用的各種介面如電源DC Jack、音源Audio Jack、網通Phone Jack(RJ45)、影音D-SUB/VGA/HDMI/MHL/Display Port/Thunderbolt、通用USB A/B/Micro A/Micro B等五大類I/O介面首次面臨被單一介面統一，這是過去未曾有過的狀況，也因此連接器廠商洗牌是正面臨的進行式，更深的影響是置於機內的板對板(Board to Board)與線對板(Wire to Board)相關連接器，也會對於大電流與高頻有更嚴格的要求。
整體而言，連接器本身腳位與腳位之間Pitch等距的要求，根本難以兼顧高頻與大電流，甚至是為了搭配高頻與大電流的機內軟排線軟性印刷電路(FPC)與扁平撓性纜線(FFC)也面臨相同的瓶頸，唯有改變傳統思維方能得到最佳的優化。
(文本作者為岱煒科技研發中心技術長)