【摘要/前言】
在毫米波設計中，壓縮安裝連接器通常用于避免與焊接變化相關的問題。然而，在使用壓縮安裝連接器時，應考慮到針腳壓縮以及錯位對高頻電氣性能的潛在影響。
對于毫米波設計而言，壓縮安裝連接器相比焊接連接具有顯著優(yōu)勢。例如，它們避免了回流焊可能導致的性能下降，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的毫米波頻率，在印刷電路板（PCB）設計過程中提供了靈活性，具有高可靠性，并且可以重復使用。
【關于針腳壓縮的問題】
當將壓縮安裝連接器降低并放置在PCB上時，通過非鍍銅的鉆孔將連接器用螺栓固定在PCB 上，連接器被成功“安裝”。信號針在壓縮安裝連接器本體接地到PCB銅層之前會接觸PCB（見圖1）。需要了解的重要一點是：當我們擰緊安裝硬件時，針腳是否會向PCB內(nèi)部推進？如果是這樣，它是否會對PCB層產(chǎn)生一定程度的影響，從而降低連接器或PCB發(fā)射的電氣性能？
圖1：左圖顯示了連接器安裝在PCB上，右圖顯示了針腳在連接器本體之前與PCB接觸，突顯了在固定時可能將針腳壓縮到PCB內(nèi)部的隱患。
我們在HFSS中使用電磁仿真來確定針腳壓縮的可能敏感性，通過假設的壓縮深度來模擬針腳壓縮。連接器研究證據(jù)表明，電氣性能對針腳壓縮是敏感的。當針腳和焊盤對齊時，電壓駐波比（VSWR）在標稱阻抗（見圖2）下達到最優(yōu)狀態(tài)。在圖2 中，左上圖顯示了時域中的阻抗，左下圖顯示了在0mil 壓縮（藍色曲線）時，從直流到90GHz的整個帶寬內(nèi)VSWR的連接器模擬結果為1.2:1或更好。
圖2：在假設的仿真模擬中，當針腳和焊盤對齊時，VSWR處于最佳狀態(tài)，阻抗正常（右側圖顯示HFSS模擬，左側圖顯示性能）。隨著針腳將焊盤推入介質(zhì)中，焊盤與返回平面耦合，阻抗發(fā)生變化，因此VSWR增加。
請注意，隨著連接器焊盤被進一步推入介質(zhì)（0.5mil），連接器性能會下降到65GHz時的1.3:1VSWR。
在這個連接器研究模擬的第二次迭代中，如果信號焊盤具有較小程度的針腳壓縮（比PCB表面低0.7mil，并推入介質(zhì)中），它將與返回平面耦合。阻抗會發(fā)生變化，VSWR會增加（見圖 2，紅色曲線）。在信號從連接器傳輸?shù)絇CB的過程中，大約在信號軌跡的50 ps處，存在更多的電容，因此連接器阻抗更低，這會影響VSWR。有趣的是，從直流到65GHz對VSWR的影響很小。然而，超過65GHz后，VSWR增加到90GHz時的1.4:1，而在標稱狀態(tài)下為1.2:1。
在本連接器研究的第三次也是最后一次迭代中，焊盤被建模為經(jīng)歷了1.4mil的壓縮（見圖2，綠色曲線）。在50ps時，連接器阻抗曲線再次顯示出更大的下降。連接器在這種情況下，VSWR從40GHz開始增加，達到90GHz時增加最大值為1.6:1，而標稱狀態(tài)下為1.2:1。
這項連接器研究證實，如果發(fā)生針腳壓縮，帶寬和性能可能會受到影響。在連接器研究的這一階段，針腳壓縮是假設的。為了預測它是否會發(fā)生以及發(fā)生的程度，需要進一步的研究。因此，我們啟動了一個項目，創(chuàng)建了詳細的壓縮安裝連接器模型來回答以下問題：我們能否準確預測機械壓縮以及我們學到了什么？機械變形對電氣性能的影響是什么，如何最小化這種影響？
【建模針腳壓縮】
為了探索機械針腳壓縮的可能性和程度，我們將圖1所示的連接器和PCB模型導入到Ansys Mechanical中。在應用典型的連接器模型準備步驟之后，如將通孔與平面連接、應用材料屬性和細化四面體網(wǎng)格，我們使用螺栓預緊力模擬將施加在安裝螺栓上的扭矩與軸向力聯(lián)系起來，從而有效地“安裝”或緊固連接器（見圖3）。需要注意的是，連接器圖紙上提供了推薦的扭矩值；在這種情況下，推薦的安裝扭矩為0.5至0.8英寸-磅。
圖3：螺栓預緊力模擬將扭矩與軸向收縮聯(lián)系起來。
按照推薦的安裝扭矩，對螺栓施加了標稱為0.6英寸-磅的扭矩（等于257N）。該連接器研究模型使用了Isola的Tachyon 100G PCB介質(zhì)層的材料特性。有趣的是，結果顯示只有輕微的變形，這與物理截面圖像（圖4）相吻合。然而，也注意到連接器內(nèi)部的珠狀結構發(fā)生了變形，并且制造公差允許針腳位移，最終最小化了針腳對PCB的壓縮，這對我們的假設電氣模擬是一個令人鼓舞的消息。
圖4：左圖顯示PCB銅層頂部有輕微變形，焊盤輕微壓縮到介質(zhì)中，與物理截面圖相吻合。右圖顯示內(nèi)部連接器珠狀結構遠離PCB，如紅色曲線所示。
在連接器研究中我們考慮了另外兩種情況，以確定在安裝過程中扭矩過大或相對較軟的PCB材料可能會產(chǎn)生的影響。對于扭矩過大的情況，施加了0.9英寸-磅的扭矩（小于386N）。連接器研究結果非常有趣，顯示了PCB在連接器周圍翹曲，但未增加針腳壓縮。更令人驚訝的是，較軟的PCB介質(zhì)材料也會導致PCB在連接器周圍翹曲，而不會增加針腳壓縮，但這次只施加了0.2英寸-磅的扭矩（約100N）（見圖5）。這意味著PCB翹曲可能是主要問題，而不是針腳壓縮。
圖5：左圖顯示了PCB在連接器周圍翹曲，這與右圖所示的類似壓縮安裝連接器觀察到的情況相符。
最終，這些連接器研究模擬的結論是：
· 在安裝連接器時使用推薦的0.5至0.8英寸-磅的扭矩，可以將針腳壓縮最小化為PCB銅層頂部的輕微變形，而不是整個焊盤過度位移至介質(zhì)中。
· 過度扭矩和較軟的PCB材料導致PCB翹曲（而不是過度的針腳壓縮）。
· 目視檢查可以為用戶提供反饋，以確定意外的PCB翹曲。
【小結】
本文為系列第一期，引出了針腳壓縮安裝的前置步驟，接下來的步驟是利用這些結果來模擬對電氣性能的潛在影響。我們將Ansys Mechanical中的結果網(wǎng)格導出為STL格式。
關于使用壓縮安裝射頻連接器的最常見問題之一是：針腳壓縮和/或錯位對系統(tǒng)性能有何影響？答案很復雜，因為很難甚至不可能判斷針腳是否發(fā)生了壓縮，或者連接器是否錯位。
在后續(xù)兩篇中，我們將針對這些問題逐步分享，并提供完整版的下載渠道。 |
