【摘要/前言】
在毫米波設(shè)計(jì)中，壓縮安裝連接器通常用于避免與焊接變化相關(guān)的問題。然而，在使用壓縮安裝連接器時(shí)，應(yīng)考慮到針腳壓縮以及錯(cuò)位對(duì)高頻電氣性能的潛在影響。
對(duì)于毫米波設(shè)計(jì)而言，壓縮安裝連接器相比焊接連接具有顯著優(yōu)勢(shì)。例如，它們避免了回流焊可能導(dǎo)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(shè)計(jì)過程中提供了靈活性，具有高可靠性，并且可以重復(fù)使用。
【關(guān)于針腳壓縮的問題】
當(dāng)將壓縮安裝連接器降低并放置在PCB上時(shí)，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(hào)針在壓縮安裝連接器本體接地到PCB銅層之前會(huì)接觸PCB（見圖1）。需要了解的重要一點(diǎn)是：當(dāng)我們擰緊安裝硬件時(shí)，針腳是否會(huì)向PCB內(nèi)部推進(jìn)？如果是這樣，它是否會(huì)對(duì)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(shí)可能將針腳壓縮到PCB內(nèi)部的隱患。
我們?cè)贖FSS中使用電磁仿真來確定針腳壓縮的可能敏感性，通過假設(shè)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(duì)針腳壓縮是敏感的。當(dāng)針腳和焊盤對(duì)齊時(shí)，電壓駐波比（VSWR）在標(biāo)稱阻抗（見圖2）下達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。在圖2 中，左上圖顯示了時(shí)域中的阻抗，左下圖顯示了在0mil 壓縮（藍(lán)色曲線）時(shí)，從直流到90GHz的整個(gè)帶寬內(nèi)VSWR的連接器模擬結(jié)果為1.2:1或更好。
圖2：在假設(shè)的仿真模擬中，當(dāng)針腳和焊盤對(duì)齊時(shí)，VSWR處于最佳狀態(tài)，阻抗正常（右側(cè)圖顯示HFSS模擬，左側(cè)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(qǐng)注意，隨著連接器焊盤被進(jìn)一步推入介質(zhì)（0.5mil），連接器性能會(huì)下降到65GHz時(shí)的1.3:1VSWR。
在這個(gè)連接器研究模擬的第二次迭代中，如果信號(hào)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(huì)發(fā)生變化，VSWR會(huì)增加（見圖 2，紅色曲線）。在信號(hào)從連接器傳輸?shù)絇CB的過程中，大約在信號(hào)軌跡的50 ps處，存在更多的電容，因此連接器阻抗更低，這會(huì)影響VSWR。有趣的是，從直流到65GHz對(duì)VSWR的影響很小。然而，超過65GHz后，VSWR增加到90GHz時(shí)的1.4:1，而在標(biāo)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(shí)，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(dá)到90GHz時(shí)增加最大值為1.6:1，而標(biāo)稱狀態(tài)下為1.2:1。
這項(xiàng)連接器研究證實(shí)，如果發(fā)生針腳壓縮，帶寬和性能可能會(huì)受到影響。在連接器研究的這一階段，針腳壓縮是假設(shè)的。為了預(yù)測(cè)它是否會(huì)發(fā)生以及發(fā)生的程度，需要進(jìn)一步的研究。因此，我們啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，創(chuàng)建了詳細(xì)的壓縮安裝連接器模型來回答以下問題：我們能否準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)械壓縮以及我們學(xué)到了什么？機(jī)械變形對(duì)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(jī)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(dǎo)入到Ansys Mechanical中。在應(yīng)用典型的連接器模型準(zhǔn)備步驟之后，如將通孔與平面連接、應(yīng)用材料屬性和細(xì)化四面體網(wǎng)格，我們使用螺栓預(yù)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(yù)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(duì)螺栓施加了標(biāo)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(jié)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(jié)構(gòu)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(duì)PCB的壓縮，這對(duì)我們的假設(shè)電氣模擬是一個(gè)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(jié)構(gòu)遠(yuǎn)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(duì)較軟的PCB材料可能會(huì)產(chǎn)生的影響。對(duì)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(jié)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(huì)導(dǎo)致PCB在連接器周圍翹曲，而不會(huì)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(jié)論是：
· 在安裝連接器時(shí)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(gè)焊盤過度位移至介質(zhì)中。
· 過度扭矩和較軟的PCB材料導(dǎo)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(jié)】
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(jié)果來模擬對(duì)電氣性能的潛在影響。我們將Ansys Mechanical中的結(jié)果網(wǎng)格導(dǎo)出為STL格式。
關(guān)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(cuò)位對(duì)系統(tǒng)性能有何影響？答案很復(fù)雜，因?yàn)楹茈y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(cuò)位。
在后續(xù)兩篇中，我們將針對(duì)這些問題逐步分享，并提供完整版的下載渠道。 |
