RF白皮書系列下篇 | 錯位補償以及連接器組裝過程所引起的端點性能問題

【摘要/前言】

上接RF白皮書系列中篇 | Via Stubs的影響評估與正確的接地環(huán)尺寸，我們初步詳細探討了四個關(guān)鍵領(lǐng)域中的前面2個：通孔的影響與正確的接地環(huán)尺寸。今天的主題是剩余2大重要領(lǐng)域的分享。

【何謂錯位補償】

錯位是指PCB的所有內(nèi)層和外層沒有完全對準(zhǔn)。為高頻寬設(shè)計端點時，這種順序的偏移會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)與它的設(shè)計完全不同。針對錯位，有幾個需要考慮的面向。第一，錯位的確切數(shù)量很難提前量化；第二，錯位會對測量結(jié)果產(chǎn)生方向性影響。例如，圖12a顯示了一個差分對兩支路的TDR。藍色(最陡峭曲線)顯示的那條支路明顯有一個電感突波，由參考平面上的間隙相對于過孔到線的調(diào)協(xié)特性發(fā)生偏移引起。

為了更好地理解這一點，請看圖12的b和c部分。圖12b顯示的是PCB的照片，而圖12c顯示的是同一塊電路板的CT圖像。圖12a中的每個連接器位置都有兩個箭頭顯示，一個是紅色(朝左上)，另一個是藍色(朝右上、左下、右下)。紅色箭頭表示發(fā)生錯位的方向。藍色箭頭表示差分線端點在連接器下的方向。在這個特定的例子中，在某些情況下，端點走線方向與錯位的方向平行，而在其他情況下，則與錯位的方向垂直。圖12c中的CT圖像用紅色(箭頭)顯示錯位方向，以及與錯位方向相比從連接器下方端點的四條走線。

將圖12中的TDR與照片和CT圖像相對照，可以清楚看出當(dāng)錯位與走線出口方向平行時，對TDR的影響要比垂直時大得多。其根本原因是隔離焊盤的大小和通孔到線過渡的形狀相對彼此進行調(diào)整。當(dāng)參考平面上的隔離焊盤移動時，孔到線過渡中的訊號所看到的阻抗受到的影響比垂直于線發(fā)射方向的錯位要強得多。

在圖13a繪制許多平行于錯位方向的端點走線TDR。另一方面，圖13b顯示垂直于錯位方向的端點走線TDR。顯然，平行于錯位方向的端點走線阻抗曲線變化明顯大于垂直于錯位方向的端點走線變化。不僅差分對支路之間的阻抗差異存在問題，從一個差分對到下一個差分對，甚至差分對的一邊到另一邊的阻抗也不一致，這使得測量時幾乎不可能消除這種影響。

了解錯位如何影響電氣性能的根本原因后，接著說明一些緩解策略。這絕不是一個完整的清單，其他參數(shù)也可以調(diào)整，以減少制造的敏感性，與合作的PCB制造廠商交談是了解所有選項的最好方法。

首先，不要用一個圓角矩形的形狀來做從通孔到線的轉(zhuǎn)換，而是使用一個錐形的過渡形狀。這樣，即使參考層中的隔離反焊盤出現(xiàn)錯位，阻抗影響也能降到最低。

另外，對差分對的支路或總線的多個通道進行路由時，會希望所有的通道看起來盡可能相同，以相同的方式啟動所有的通道。圖14中顯示了一個差分對的例子。與其以45度的走線將它們組合在一起形成差分對(圖14左)，不如將所有通道彼此平行發(fā)射(圖14右)。一旦它們離開連接器端點區(qū)域，軌跡就被收攏至差分對間距。

【正視連接器組裝過程所引起的端點性能問題】

到目前為止，已經(jīng)解決了與端點的設(shè)計和制造相關(guān)的問題。PCB制作完成后，需要將連接器安裝在PCB上。用于連接器的兩個主要組裝工藝是回流焊接和壓迫式安裝到PCB上，可以直接或透過某種轉(zhuǎn)接板。本文只討論壓迫式安裝。

組裝壓迫式連接器時，將連接器放在PCB上，而不用壓在表面上。然后從PCB的另一側(cè)送入螺絲，并鎖入連接器底部的螺絲孔中。連接器資料表中通常有一個扭力規(guī)格，說明螺絲需要鎖多緊才能確保良好和可靠的接觸。在鎖緊螺絲時必須要小心，以確保連接器在此過程中不會移動。如果連接器四處移動，有可能破壞連接器端點的著陸墊。

即使在組裝連接器的過程中很小心，當(dāng)螺絲被鎖緊到最終位置時，在連接器上的力道也會導(dǎo)致它們旋轉(zhuǎn)，因而可能發(fā)生錯位。當(dāng)使用非常寬的頻寬時，即使是小的偏位也會對最終的性能產(chǎn)生重大影響。

一種可用來降低在鎖緊連接器時撕下焊盤的風(fēng)險，并在裝配時避免偏位的方法是減少安裝連接器的螺絲孔尺寸。螺絲孔的定位存在制造公差，透過將這種位置公差保持在最低限度，并確?？椎某叽绲膰?yán)格公差，可降低組裝連接器的難度，幾乎無須移動連接器，即可找到正確位置。不過，要獲得這種精度，還需要幾個額外步驟。

如圖15所示，連接器安裝孔的位置公差被指定為嚴(yán)格。為了獲得更嚴(yán)格的公差，鉆孔時使用光學(xué)檢測來完成該步驟定位連接器的著陸焊盤，接著根據(jù)該位置拾取鉆孔位置。如此一來，每個連接器的安裝孔都是相對于該特定位置的銅特征來鉆孔。在X和Y軸上約束孔的位置十分重要，僅僅沿連接安裝孔位置和中心針位置的軸約束位置并不夠。此外還規(guī)定了螺釘孔尺寸的嚴(yán)格公差，減少螺絲孔的間隙，限制螺絲可移動的空間，最大限度地減少在鎖緊安裝螺釘過程中連接器旋轉(zhuǎn)的機會。

Samtec連接器的一個附加功能在組裝過程中非常有用，它是在壓迫安裝連接器的腳上銑出的槽口，示例如圖16所示。

如果定義銅特征以匹配這些槽口的位置，則在組裝過程中檢查組裝連接器的位置精度并在需要時進行微調(diào)變得非常容易，這在組裝僅連接至帶狀線的壓迫安裝連接器時特別有用。在這種情況下，連接器底部沒有凹槽來驗證連接器的位置精度，使得凹槽變得非常寶貴。另一個好處是，由于凹槽與印刷電路板上的銅特征對齊，安裝孔位置和焊盤位置之間的任何偏移都很容易察覺，消除對組裝效應(yīng)是否對后續(xù)測量產(chǎn)生不利影響的任何疑問。

【留心設(shè)計注意事項，與PCB廠密切合作】

本文的目的是要說明即使在PCB中包含通孔，也可以實現(xiàn)非常寬帶寬的RF端點，這并不意味著它是微不足道的，必須同時考慮和平衡很多相互競爭的要求，無論是電氣、機械、制造還是成本。這里詳細闡述了一些最重要的設(shè)計注意事項，欲優(yōu)化這些因素需要與PCB廠合作，以了解制造限制。最終，在許多情況下，要達到90~100GHz的頻寬，需要突破現(xiàn)今的制造極限。在設(shè)計過程初始就了解這些限制，對實現(xiàn)高性能的端點幫助很大。

【Samtec解決方案】

Samtec憑借多年的創(chuàng)新，為廣大客戶提供陣容龐大的RF產(chǎn)品體系，使客戶在選用Samtec產(chǎn)品時更得心應(yīng)手。我們按照六大模塊提供廣泛的產(chǎn)品解決方案，包括高速板對板、高速線纜、光學(xué)器件、射頻、微型加固和靈活堆疊，支持任何互聯(lián)需求——無論應(yīng)用、性能要求或環(huán)境如何。

“整個系列原文刊登于2022年11月的新通訊期刊中及其網(wǎng)站：《連接器組裝/走線/鉆孔攸關(guān)性能，寬帶RF電路板端點設(shè)計眉角多》”