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【摘要/前言】
上接RF白皮書系列中篇 | Via Stubs的影響評(píng)估與正確的接地環(huán)尺寸，我們初步詳細(xì)探討了四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域中的前面2個(gè)：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(cuò)位補(bǔ)償】
錯(cuò)位是指PCB的所有內(nèi)層和外層沒有完全對(duì)準(zhǔn)。為高頻寬設(shè)計(jì)端點(diǎn)時(shí)，這種順序的偏移會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)與它的設(shè)計(jì)完全不同。針對(duì)錯(cuò)位，有幾個(gè)需要考慮的面向。第一，錯(cuò)位的確切數(shù)量很難提前量化；第二，錯(cuò)位會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生方向性影響。例如，圖12a顯示了一個(gè)差分對(duì)兩支路的TDR。藍(lán)色(最陡峭曲線)顯示的那條支路明顯有一個(gè)電感突波，由參考平面上的間隙相對(duì)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(diǎn)，請(qǐng)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(gè)連接器位置都有兩個(gè)箭頭顯示，一個(gè)是紅色(朝左上)，另一個(gè)是藍(lán)色(朝右上、左下、右下)。紅色箭頭表示發(fā)生錯(cuò)位的方向。藍(lán)色箭頭表示差分線端點(diǎn)在連接器下的方向。在這個(gè)特定的例子中，在某些情況下，端點(diǎn)走線方向與錯(cuò)位的方向平行，而在其他情況下，則與錯(cuò)位的方向垂直。圖12c中的CT圖像用紅色(箭頭)顯示錯(cuò)位方向，以及與錯(cuò)位方向相比從連接器下方端點(diǎn)的四條走線。
將圖12中的TDR與照片和CT圖像相對(duì)照，可以清楚看出當(dāng)錯(cuò)位與走線出口方向平行時(shí)，對(duì)TDR的影響要比垂直時(shí)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(duì)彼此進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)參考平面上的隔離焊盤移動(dòng)時(shí)，孔到線過渡中的訊號(hào)所看到的阻抗受到的影響比垂直于線發(fā)射方向的錯(cuò)位要強(qiáng)得多。
在圖13a繪制許多平行于錯(cuò)位方向的端點(diǎn)走線TDR。另一方面，圖13b顯示垂直于錯(cuò)位方向的端點(diǎn)走線TDR。顯然，平行于錯(cuò)位方向的端點(diǎn)走線阻抗曲線變化明顯大于垂直于錯(cuò)位方向的端點(diǎn)走線變化。不僅差分對(duì)支路之間的阻抗差異存在問題，從一個(gè)差分對(duì)到下一個(gè)差分對(duì)，甚至差分對(duì)的一邊到另一邊的阻抗也不一致，這使得測量時(shí)幾乎不可能消除這種影響。
了解錯(cuò)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(gè)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(xiàng)的最好方法。
首先，不要用一個(gè)圓角矩形的形狀來做從通孔到線的轉(zhuǎn)換，而是使用一個(gè)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(cuò)位，阻抗影響也能降到最低。
另外，對(duì)差分對(duì)的支路或總線的多個(gè)通道進(jìn)行路由時(shí)，會(huì)希望所有的通道看起來盡可能相同，以相同的方式啟動(dòng)所有的通道。圖14中顯示了一個(gè)差分對(duì)的例子。與其以45度的走線將它們組合在一起形成差分對(duì)(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(diǎn)區(qū)域，軌跡就被收攏至差分對(duì)間距。
【正視連接器組裝過程所引起的端點(diǎn)性能問題】
到目前為止，已經(jīng)解決了與端點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)，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(gè)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(shí)必須要小心，以確保連接器在此過程中不會(huì)移動(dòng)。如果連接器四處移動(dòng)，有可能破壞連接器端點(diǎn)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(shí)，在連接器上的力道也會(huì)導(dǎo)致它們旋轉(zhuǎn)，因而可能發(fā)生錯(cuò)位。當(dāng)使用非常寬的頻寬時(shí)，即使是小的偏位也會(huì)對(duì)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(shí)撕下焊盤的風(fēng)險(xiǎn)，并在裝配時(shí)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(dòng)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(gè)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(shí)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(gè)連接器的安裝孔都是相對(duì)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(dòng)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(jī)會(huì)。
Samtec連接器的一個(gè)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(shí)進(jìn)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(shí)特別有用。在這種情況下，連接器底部沒有凹槽來驗(yàn)證連接器的位置精度，使得凹槽變得非常寶貴。另一個(gè)好處是，由于凹槽與印刷電路板上的銅特征對(duì)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(duì)組裝效應(yīng)是否對(duì)后續(xù)測量產(chǎn)生不利影響的任何疑問。
【留心設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，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(shí)現(xiàn)非常寬帶寬的RF端點(diǎn)，這并不意味著它是微不足道的，必須同時(shí)考慮和平衡很多相互競爭的要求，無論是電氣、機(jī)械、制造還是成本。這里詳細(xì)闡述了一些最重要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，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(dá)到90~100GHz的頻寬，需要突破現(xiàn)今的制造極限。在設(shè)計(jì)過程初始就了解這些限制，對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能的端點(diǎn)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(shí)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(duì)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(gè)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(diǎn)設(shè)計(jì)眉角多》”
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