在过去二十年中，计算机、商业设备、消费类、军事和汽车电子等全球电子产业经历了显著增长，现在规模达到每年超过1万亿美元。RF /微波产业，包括测试设备、雷达和无线通信，估计每年市场规模超过1000亿美元。虽然RF /微波产业的封装细分市场(IC封装、印刷电路板、焊接连接、引线键合、电缆连接和连接器)占整个全球电子封装行业的不到1%，但保守估计也是每年超过120亿美元的细分市场。

在20世纪50年代，用于通孔元件的波峰焊技术实现了印刷电路板的大批量生产。近50年来，该技术已被证明是电子工业的支柱。然而，在20世纪80年代，机器视觉和模式识别(pattern recognition)的出现促进了自动表面贴装技术(SMT)的使用，从而导致电子组件的显著致密化。

最初，表面贴装元件是外围引线封装，具有有限的最大引线数。但在20世纪90年代早期，增加互连密度的压力导致了球栅阵列(BGA)封装的发展。虽然BGA技术比传统的混合微波集成电路封装更便宜、更薄、更轻且更容易集成到电路板架构中(见图1)，但屏蔽、隔离和互连问题是在RF /微波子系统应用中的明显不足。

图1.混合微电路封装。

在20世纪90年代中期，倒装芯片技术(FCT)的发展克服了BGA在高频应用中的一些局限性，并改善了互连密度。FCT的出现受到高端微处理器、磁盘驱动器IC、手表和汽车点火装置等数字应用的推动。因此，倒装芯片基础设施迅速发展。最近，倒装芯片器件技术已被用于毫米波领域的应用，例如汽车雷达。随着对基于SMT、BGA和FCT应用的要求已经转向更高频率，对直接与平面基板接口连接的高性能同轴连接器的需求也急剧增加。

平面基板同轴连接器

在仪器和测试系统中的电路模块之间，主要是通过半刚性同轴电缆来路由高频信号。虽然同轴电缆为信号提供径向对称的传输结构，但电路模块内的传输结构本身是平面的。通常，这些结构在平面基板上包含微带传输线。由于对信号隔离和低电感的要求，径向对称同轴电缆和平面微带环境之间的电转换不仅对系统的电性能至关重要，而且从设计和制造的角度来看也在技术上具有挑战性。对于在微波或毫米波频率范围内传输的信号尤其如此，其中过渡(transition)界面处的不连续性导致阻抗不匹配，这可能显著降低电信号。

在高频应用的同轴和平面传输结构之间，最小化不连续性和阻抗不匹配的传统方法是为了定向同轴连接器的中心导体，该连接器的组装平行于电路模块的微带传输线平面。这种类型的界面需要将器件基板连接到金属封装体的底板上(图1)，然后将连接器组件拧入封装体壁上的螺纹孔中。螺纹孔的位置使中心导体与平面传输结构对齐。虽然这种配置在接口处会产生有利的阻抗匹配，但由于依赖金属封装体，这增加了电路模块的尺寸和制造成本。本文介绍了一种基于玻璃—金属密封的高性能同轴连接器，它可以直接固定在电路模块或印刷电路板的平面基板上，从而使得电路模块比传统的混合微电路封装组件更小且更便宜。

实际上，该连接器是使用焊料或导电环氧树脂直接连接到平面基板。基底材料可以是陶瓷、聚合物或金属合金，它具有合适的接触垫以促进连接过程并确保电连续性。该连接器设计成垂直于基板安装，并在电路模块和半刚性电缆之间提供过渡。

在基板中制造具有径向对称同轴结构的圆柱形导电孔，从而在同轴和平面传输结构之间提供阻抗匹配。连接器的插拔表面采用法兰连接，以提供最大的接触面积(见图2)。这确保了电接触并增强了组件的机械稳定性。中心销突出穿过法兰中的孔，它周围有个接头。

在附着过程中，该接头用于将插销对准基板的导电孔，这样就可以保持对称的同轴过渡。 在基板相对侧上的平面传输线和延伸穿过基板孔的连接器中心销的端部之间，电路要完成合适的键合。

图2.法兰式同轴连接器。

图3为所考虑的同轴连接器的工程图。连接器组件由五个较低级别的组件组成：外导体或外壳、玻璃磁珠、中心销、介电支撑磁珠和中心导体。尽管可表面安装的连接器通常不需要密封性，但该连接器具有整体的玻璃—金属密封，以提高机械稳定性并将中心销精确定位在外壳通孔中。中心插销在RF通孔中的位置对于电信号离开同轴结构时的传输是至关重要的。

连接器的另一端提供转向外部同轴环境的过渡，在这种情况下，是采用SMA共面插销和插座式接口。要做到这一点，连接器外壳从外面穿过，以接收标准的半刚性电缆接头。中心导体是与中心导体末端的开槽母接触，它与连接器壳体的插拔平面重合。

中心导体由聚四氟乙烯(PTFE)电介质珠支撑，它通过中心导体外径上的滚花以及外壳内径上的凹口，在插拔参考平面下方固定到位。插拔界面几何形状相对于重复连接的可靠性是 通过所描述的配置增强。该同轴连接器经过设计和电气补偿，可在10 GHz范围内的频率下工作，具有出色的电气性能。

图3.同轴连接器原理图。

受控膨胀合金

SMT连接器的一个关键设计方面是外壳(外导体)的材料选择，它反过来驱动中心插销(中心导体)的材料选择，并且在较小程度上是玻璃珠。许多受控膨胀合金可用于制造连接器壳体，但材料选择取决于连接器将要连接的基板材料(PCB或陶瓷)以及特定的连接方法(环氧树脂或焊料)。

例如，设计用于焊接附着到金属化平面陶瓷基板的SMT连接器，可以采用热膨胀系数(CTE)约为8.2 ppm /℃的氧化铝(Al2O3)，选定的外壳材料为Alloy42(CTE为7 ppm /℃)。在这种情况下，中心销可以是Alloy42或CTE为5.3 ppm /℃的Kovar®。其他常用的陶瓷基板材料包括CTE为4.5 ppm /℃的氮化铝(AlN)，CTE为4 ppm /℃的碳化硅(SiC)，和可陶瓷加工、CTE为9 ppm /℃反Macor® 。

对于AlN和SiC陶瓷基板，连接器外壳和中心销可使用Kovar®制造。对于Macor®基材，外壳材料可为Alloy46®或Alloy48®。当焊料是优选的(通常为增加强度和导电性)，CTE差异的经验法则是小于5 ppm /℃。而由于导电环氧树脂更柔顺，所以连接器壳体和基板CTE的紧密匹配并不重要。

但是，在层压PCB材料上安装SMT连接器时，CTE的关系非常不同。大多数FR-4层压板的CTE在14 ppm /℃范围内，这比陶瓷基板高得多。但现代PCB叠层堆叠现在包含由铜—殷钢——铜(CIC)或铜—钼—铜(CMC)叠层制成的金属芯，其CTE分别为8 ppm /℃和6 ppm /℃。

这些金属芯用于固定FR-4外层的膨胀，为CIC提供12 ppm /℃的整体CTE，为CMC PCB层压板提供9 ppm /℃的整体CTE。因此，当将SMT连接器连接到混合PCB层压结构时，连接器外壳的首选可控膨胀合金是Alloy48®(CTE为9 ppm /℃)，当基板是CMC锚定时，用于CIC锚固基材为Alloy46®(CTE为7.9 ppm /℃)。中心销材料分别为Alloy42®和Kovar®。锗烷材料的CTE值总结在表1中。

表1.包装材料的热膨胀系数。

案例研究

高速数字通信系统最前沿的商业产品现在已超过了之前的2.5 Gb/s，速度超过10 Gb/s。密集波分复用(DWDM，在单根光纤上共同传播多达128个波长信道)的出现，已生成聚合通信带宽，超过每秒太比特的级别。凭借比特率和波长密度方面的这些惊人技术进步，对于数字通信系统来说，数据位流中发生错误的速率是最重要的参数并不奇怪。该品质因数是一个统计参数，称为误码率(BER)。

现已过时的Keysight(原安捷伦)86130A仪器是一款3.6 Gb/s通用BER测试仪，专为高速数字通信应用而设计。这种先进的BER测试仪用于设计、制造和质量保证测试环境，以表征光子系统、元件和光纤的性能。

图4. 修改过的SMT连接器。

86130A BER测试仪是最早利用板上芯片技术的仪器之一。因此，许多表面安装同轴连接器被用于往返模块信号输入和输出功能。图4为连接器两端的照片，这是前面描述的同轴连接器的修改版本。

该连接器上的法兰不使用通孔，而是玻璃—金属密封界面与法兰表面重合。同轴插拔接口与先前描述的连接器相同。图5中的照片显示了在模式发生器模块板附近的三个表面安装同轴连接器。这种连接器设计非常坚固，机械和电气性能也非常好，并且是86130A的码型发生器和误差检测器模块的高性能和合理制造成本的关键因素。

图5. 具有SMT连接器的BER模块。

结论

很明显，表面贴装、球栅阵列和倒装芯片技术的进步，已经产生了对可以直接附着到平面基板的高性能同轴连接器的需求。我们已经开发了一种基于玻璃—金属密封的同轴连接器，以满足可表面安装的连接器的要求，在微波和毫米波频率下，该连接器在径向对称和平面信号传输结构之间提供低电感过渡。设计这些连接器的关键因素是选择性地使用受控膨胀合金来定制各种基板材料的连接方法。该连接器可有效地用于数字通信市场的下一代误码率测试仪器。

本文出自大比特资讯(www.big-bit.com)，转载请注明来源