【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。

【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”。信号针在压缩安装连接器本体接地到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。连接器研究证据表明，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0mil 压缩（蓝色曲线）时，从直流到90GHz的整个带宽内VSWR的连接器模拟结果为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，随着连接器焊盘被进一步推入介质（0.5mil），连接器性能会下降到65GHz时的1.3:1VSWR。

在这个连接器研究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0.7mil，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，因此连接器阻抗更低，这会影响VSWR。有趣的是，从直流到65GHz对VSWR的影响很小。然而，超过65GHz后，VSWR增加到90GHz时的1.4:1，而在标称状态下为1.2:1。

在本连接器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50ps时，连接器阻抗曲线再次显示出更大的下降。连接器在这种情况下，VSWR从40GHz开始增加，达到90GHz时增加最大值为1.6:1，而标称状态下为1.2:1。

这项连接器研究证实，如果发生针脚压缩，带宽和性能可能会受到影响。在连接器研究的这一阶段，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，创建了详细的压缩安装连接器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。在应用典型的连接器模型准备步骤之后，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257N）。该连接器研究模型使用了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。

在连接器研究中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）。连接器研究结果非常有趣，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，这些连接器研究模拟的结论是：

· 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。