芯耀
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【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(wèn)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，能夠實(shí)現(xiàn)高性能的毫米波頻率，在印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)過(guò)程中提供了靈活性，具有高可靠性，并且可以重復(fù)使用。
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——白皮書(shū)概要
基于建模和測(cè)量數(shù)據(jù)，本白皮書(shū)調(diào)查了錯(cuò)位和針腳壓縮如何影響實(shí)際設(shè)計(jì)。它還解釋了如何檢測(cè)和避免問(wèn)題，以?xún)?yōu)化性能并完成成功的設(shè)計(jì)。
——作者簡(jiǎn)介
——Michael Griesi在南卡羅來(lái)納大學(xué)獲得了電氣工程學(xué)士和碩士學(xué)位，專(zhuān)注于信號(hào)完整性。他在電磁學(xué)領(lǐng)域具備豐富的背景，涵蓋數(shù)字高速、無(wú)線(xiàn)和被動(dòng)射頻應(yīng)用的設(shè)計(jì)、仿真模擬、驗(yàn)證和自動(dòng)化，擁有20年的經(jīng)驗(yàn)。
——Zak Speraw?是Samtec的射頻設(shè)計(jì)工程師，專(zhuān)注于信號(hào)完整性，在高速數(shù)字和射頻互連以及高速PCB分線(xiàn)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和測(cè)量方面擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。
——Edwin Loy?是Samtec的資深光機(jī)械設(shè)計(jì)工程師，在加州大學(xué)伯克利分校獲得了機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位，擁有25年的光電電子元件機(jī)械設(shè)計(jì)、封裝和工藝開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。Edwin 熱衷于使用仿真模擬和測(cè)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的第一原理設(shè)計(jì)方法。
——Sage Wronowski?在賓夕法尼亞州西徹斯特大學(xué)獲得了物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，是Samtec的射頻設(shè)計(jì)工程師，擁有5年的射頻互連經(jīng)驗(yàn)。專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域包括射頻互連的建模、設(shè)計(jì)、測(cè)試和仿真模擬。
本次，我們將分為上中下三期，為大家?guī)?lái)完整版白皮書(shū)，并在最后一期提供完整漢化版的下載鏈接。
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【關(guān)于針腳壓縮的問(wèn)題】
當(dāng)將壓縮安裝連接器降低并放置在PCB上時(shí)，通過(guò)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)針在連接器本體接地到PCB銅層之前會(huì)接觸PCB（見(jiàn)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？
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我們?cè)贖FSS中使用電磁仿真來(lái)確定針腳壓縮的可能敏感性，通過(guò)假設(shè)的壓縮深度來(lái)模擬針腳壓縮。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(pán)對(duì)齊時(shí)，電壓駐波比（VSWR）在標(biāo)稱(chēng)阻抗（見(jiàn)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0 mil 壓縮（藍(lán)色曲線(xiàn)）時(shí)，從直流到90 GHz的整個(gè)帶寬內(nèi) VSWR的模擬結(jié)果為 1.2:1 或更好。
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請(qǐng)注意，隨著焊盤(pán)被進(jìn)一步推入介質(zhì)（0.5 mil），性能會(huì)下降到65 GHz時(shí)的 1.3:1 VSWR。
在這個(gè)模擬的第二次迭代中，如果信號(hào)焊盤(pán)具有較小程度的針腳壓縮（比PCB表面低0.7 mil，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(jiàn)圖 2，紅色曲線(xiàn)）。在信號(hào)從連接器傳輸?shù)絇CB的過(guò)程中，大約在信號(hào)軌跡的50 ps處，存在更多的電容，因此阻抗更低，這會(huì)影響 VSWR。有趣的是，從直流到65 GHz對(duì) VSWR 的影響很小。然而，超過(guò)65 GHz后，VSWR 增加到90 GHz時(shí)的 1.4:1，而在標(biāo)稱(chēng)狀態(tài)下為 1.2:1。
在本研究的第三次也是最后一次迭代中，焊盤(pán)被建模為經(jīng)歷了 1.4mil 的壓縮（見(jiàn)圖 2，綠色曲線(xiàn)）。在50 ps時(shí)，阻抗曲線(xiàn)再次顯示出更大的下降。在這種情況下，VSWR 從40 GHz開(kāi)始增加，達(dá)到90 GHz時(shí)增加最大值為 1.6:1，而標(biāo)稱(chēng)狀態(tài)下為 1.2:1。
這項(xiàng)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)的模型來(lái)回答以下問(wèn)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？
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【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(lái)，從而有效地“安裝”或緊固連接器（見(jiàn)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。
按照推薦的安裝扭矩，對(duì)螺栓施加了標(biāo)稱(chēng)為 0.6 英寸-磅的扭矩（等于 257 N）。該模型使用了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。
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我們考慮了另外兩種情況，以確定在安裝過(guò)程中扭矩過(guò)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(guò)大的情況，施加了 0.9 英寸-磅的扭矩（小于 386N）。結(jié)果非常有趣，顯示了 PCB 在連接器周?chē)N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?chē)N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(jiàn)圖 5）。這意味著PCB翹曲可能是主要問(wèn)題，而不是針腳壓縮。
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最終，這些模擬的結(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(pán)過(guò)度位移至介質(zhì)中。
- 過(guò)度扭矩和較軟的PCB材料導(dǎo)致PCB翹曲（而不是過(guò)度的針腳壓縮）。
- 目視檢查可以為用戶(hù)提供反饋，以確定意外的PCB翹曲。
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【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(lái)的步驟是利用這些結(jié)果來(lái)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(jiàn)問(wèn)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(wèn)題逐步分享，并提供完整版的下載渠道。
請(qǐng)持續(xù)關(guān)注我們，作為勵(lì)精圖治多年的連接器專(zhuān)家，Samtec有很多想要與您分享~
