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摘要/前言
在毫米波设计中，压缩安装连接器通常用于避免与焊接变化相关的问题。然而，在使用压缩安装连接器时，应考虑到针脚压缩以及错位对高频电气性能的潜在影响。
对于毫米波设计而言，压缩安装连接器相比焊接连接具有显著优势。例如，它们避免了回流焊可能导致的性能下降，能够实现高性能的毫米波频率，在印刷电路板（PCB）设计过程中提供了灵活性，具有高可靠性，并且可以重复使用。
——白皮书概要
基于建模和测量数据，本白皮书调查了错位和针脚压缩如何影响实际设计。它还解释了如何检测和避免问题，以优化性能并完成成功的设计。
——作者简介
——Michael Griesi在南卡罗来纳大学获得了电气工程学士和硕士学位，专注于信号完整性。他在电磁学领域具备丰富的背景，涵盖数字高速、无线和被动射频应用的设计、仿真模拟、验证和自动化，拥有20年的经验。
——Zak Speraw 是Samtec的射频设计工程师，专注于信号完整性，在高速数字和射频互连以及高速PCB分线的设计、优化和测量方面拥有丰富的行业经验。
——Edwin Loy 是Samtec的资深光机械设计工程师，在加州大学伯克利分校获得了机械工程学士学位，拥有25年的光电电子元件机械设计、封装和工艺开发经验。Edwin 热衷于使用仿真模拟和测量进行实验和验证的第一原理设计方法。
——Sage Wronowski 在宾夕法尼亚州西彻斯特大学获得了物理学学士学位，是Samtec的射频设计工程师，拥有5年的射频互连经验。专业领域包括射频互连的建模、设计、测试和仿真模拟。
本次，我们将分为上中下三期，为大家带来完整版白皮书，并在最后一期提供完整汉化版的下载链接。
关于针脚压缩的问题
当将压缩安装连接器降低并放置在PCB上时，通过非镀铜的钻孔将连接器用螺栓固定在PCB 上，连接器被成功“安装”。信号针在连接器本体接地到PCB铜层之前会接触PCB（见图 1）。需要了解的重要一点是：当我们拧紧安装硬件时，针脚是否会向 PCB 内部推进？如果是这样，它是否会对PCB层产生一定程度的影响，从而降低连接器或PCB发射的电气性能？
图 1：左图显示了连接器安装在 PCB 上，右图显示了针脚在连接器本体之前与 PCB 接触，突显了在固定时可能将针脚压缩到 PCB 内部的隐患。
我们在HFSS中使用电磁仿真来确定针脚压缩的可能敏感性，通过假设的压缩深度来模拟针脚压缩。证据表明，电气性能对针脚压缩是敏感的。当针脚和焊盘对齐时，电压驻波比（VSWR）在标称阻抗（见图 2）下达到最优状态。在图 2 中，左上图显示了时域中的阻抗，左下图显示了在0 mil 压缩（蓝色曲线）时，从直流到90 GHz的整个带宽内 VSWR的模拟结果为 1.2:1 或更好。
图 2：在假设的仿真模拟中，当针脚和焊盘对齐时，VSWR 处于最佳状态，阻抗正常（右侧图显示 HFSS 模拟，左侧图显示性能）。随着针脚将焊盘推入介质中，焊盘与返回平面耦合，阻抗发生变化，因此 VSWR 增加。
请注意，随着焊盘被进一步推入介质（0.5 mil），性能会下降到65 GHz时的 1.3:1 VSWR。
在这个模拟的第二次迭代中，如果信号焊盘具有较小程度的针脚压缩（比PCB表面低0.7 mil，并推入介质中），它将与返回平面耦合。阻抗会发生变化，VSWR 会增加（见图 2，红色曲线）。在信号从连接器传输到PCB的过程中，大约在信号轨迹的50 ps处，存在更多的电容，因此阻抗更低，这会影响 VSWR。有趣的是，从直流到65 GHz对 VSWR 的影响很小。然而，超过65 GHz后，VSWR 增加到90 GHz时的 1.4:1，而在标称状态下为 1.2:1。
在本研究的第三次也是最后一次迭代中，焊盘被建模为经历了 1.4mil 的压缩（见图 2，绿色曲线）。在50 ps时，阻抗曲线再次显示出更大的下降。在这种情况下，VSWR 从40 GHz开始增加，达到90 GHz时增加最大值为 1.6:1，而标称状态下为 1.2:1。
这项研究证实，如果发生针脚压缩，带宽和性能可能会受到影响。在研究的这一阶段，针脚压缩是假设的。为了预测它是否会发生以及发生的程度，需要进一步的研究。因此，我们启动了一个项目，创建了详细的模型来回答以下问题：我们能否准确预测机械压缩以及我们学到了什么？机械变形对电气性能的影响是什么，如何最小化这种影响？
建模针脚压缩
为了探索机械针脚压缩的可能性和程度，我们将图 1 所示的连接器和PCB模型导入到Ansys Mechanical中。在应用典型的模型准备步骤之后，如将通孔与平面连接、应用材料属性和细化四面体网格，我们使用螺栓预紧力模拟将施加在安装螺栓上的扭矩与轴向力联系起来，从而有效地“安装”或紧固连接器（见图 3）。需要注意的是，连接器图纸上提供了推荐的扭矩值；在这种情况下，推荐的安装扭矩为 0.5 至 0.8 英寸-磅。
图 3：螺栓预紧力模拟将扭矩与轴向收缩联系起来。
按照推荐的安装扭矩，对螺栓施加了标称为 0.6 英寸-磅的扭矩（等于 257 N）。该模型使用了Isola的Tachyon 100G PCB介质层的材料特性。有趣的是，结果显示只有轻微的变形，这与物理截面图像（图 4）相吻合。然而，也注意到连接器内部的珠状结构发生了变形，并且制造公差允许针脚位移，最终最小化了针脚对PCB的压缩，这对我们的假设电气模拟是一个令人鼓舞的消息。
图 4：左图显示 PCB 铜层顶部有轻微变形，焊盘轻微压缩到介质中，与物理截面图相吻合。右图显示内部连接器珠状结构远离 PCB，如红色曲线所示。
我们考虑了另外两种情况，以确定在安装过程中扭矩过大或相对较软的PCB材料可能会产生的影响。对于扭矩过大的情况，施加了 0.9 英寸-磅的扭矩（小于 386N）。结果非常有趣，显示了 PCB 在连接器周围翘曲，但未增加针脚压缩。更令人惊讶的是，较软的PCB介质材料也会导致PCB在连接器周围翘曲，而不会增加针脚压缩，但这次只施加了0.2 英寸-磅的扭矩（约 100N）（见图 5）。这意味着PCB翘曲可能是主要问题，而不是针脚压缩。
图 5：左图显示了 PCB 在连接器周围翘曲，这与右图所示的类似压缩安装连接器观察到的情况相符。
最终，这些模拟的结论是：
在安装连接器时使用推荐的 0.5 至 0.8 英寸-磅的扭矩，可以将针脚压缩最小化为PCB铜层顶部的轻微变形，而不是整个焊盘过度位移至介质中。
过度扭矩和较软的PCB材料导致PCB翘曲（而不是过度的针脚压缩）。
目视检查可以为用户提供反馈，以确定意外的PCB翘曲。
小 结
本文为系列第一期，引出了针脚压缩安装的前置步骤，接下来的步骤是利用这些结果来模拟对电气性能的潜在影响。我们将Ansys Mechanical中的结果网格导出为STL格式。
关于使用压缩安装射频连接器的最常见问题之一是：针脚压缩和/或错位对系统性能有何影响？答案很复杂，因为很难甚至不可能判断针脚是否发生了压缩，或者连接器是否错位。
在后续两篇中，我们将针对这些问题逐步分享，并提供完整版的下载渠道。
请持续关注我们，作为励精图治多年的连接器专家，Samtec有很多想要与您分享~
工商网监
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