摘要/前言

在毫米波設(shè)計中，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，應(yīng)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(shè)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(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)計過程中提供了靈活性，具有高可靠性，并且可以重復(fù)使用。

——白皮書概要

基于建模和測量數(shù)據(jù)，本白皮書調(diào)查了錯位和針腳壓縮如何影響實際設(shè)計。它還解釋了如何檢測和避免問題，以優(yōu)化性能并完成成功的設(shè)計。

——作者簡介

——Michael Griesi在南卡羅來納大學獲得了電氣工程學士和碩士學位，專注于信號完整性。他在電磁學領(lǐng)域具備豐富的背景，涵蓋數(shù)字高速、無線和被動射頻應(yīng)用的設(shè)計、仿真模擬、驗證和自動化，擁有20年的經(jīng)驗。

——Zak Speraw?是Samtec的射頻設(shè)計工程師，專注于信號完整性，在高速數(shù)字和射頻互連以及高速PCB分線的設(shè)計、優(yōu)化和測量方面擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗。

——Edwin Loy?是Samtec的資深光機械設(shè)計工程師，在加州大學伯克利分校獲得了機械工程學士學位，擁有25年的光電電子元件機械設(shè)計、封裝和工藝開發(fā)經(jīng)驗。Edwin 熱衷于使用仿真模擬和測量進行實驗和驗證的第一原理設(shè)計方法。

——Sage Wronowski?在賓夕法尼亞州西徹斯特大學獲得了物理學學士學位，是Samtec的射頻設(shè)計工程師，擁有5年的射頻互連經(jīng)驗。專業(yè)領(lǐng)域包括射頻互連的建模、設(shè)計、測試和仿真模擬。

本次，我們將分為上中下三期，為大家?guī)硗暾姘灼⒃谧詈笠黄谔峁┩暾麧h化版的下載鏈接。

關(guān)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(shè)的壓縮深度來模擬針腳壓縮。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0 mil 壓縮（藍色曲線）時，從直流到90 GHz的整個帶寬內(nèi) VSWR的模擬結(jié)果為 1.2:1 或更好。

圖 2：在假設(shè)的仿真模擬中，當針腳和焊盤對齊時，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。

請注意，隨著焊盤被進一步推入介質(zhì)（0.5 mil），性能會下降到65 GHz時的 1.3:1 VSWR。

在這個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0.7 mil，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，因此阻抗更低，這會影響 VSWR。有趣的是，從直流到65 GHz對 VSWR 的影響很小。然而，超過65 GHz后，VSWR 增加到90 GHz時的 1.4:1，而在標稱狀態(tài)下為 1.2:1。

在本研究的第三次也是最后一次迭代中，焊盤被建模為經(jīng)歷了 1.4mil 的壓縮（見圖 2，綠色曲線）。在50 ps時，阻抗曲線再次顯示出更大的下降。在這種情況下，VSWR 從40 GHz開始增加，達到90 GHz時增加最大值為 1.6:1，而標稱狀態(tài)下為 1.2:1。

這項研究證實，如果發(fā)生針腳壓縮，帶寬和性能可能會受到影響。在研究的這一階段，針腳壓縮是假設(shè)的。為了預(yù)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)建了詳細的模型來回答以下問題：我們能否準確預(yù)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(dǎo)入到Ansys Mechanical中。在應(yīng)用典型的模型準備步驟之后，如將通孔與平面連接、應(yīng)用材料屬性和細化四面體網(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，對螺栓施加了標稱為 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PCB的壓縮，這對我們的假設(shè)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(jié)構(gòu)遠離 PCB，如紅色曲線所示。

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）。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)材料也會導(dǎo)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，這些模擬的結(jié)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(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/或錯位對系統(tǒng)性能有何影響？答案很復(fù)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。

請持續(xù)關(guān)注我們，作為勵精圖治多年的連接器專家，Samtec有很多想要與您分享~