連接器設計關乎高頻性能　回流焊接左右射頻連接器表現

2023-03-04

將高頻寬射頻連接器與優化的PCB發射架(PCB Launch)焊接在一起時，其結果難以預測。本文將研究回流焊接變化的一些根本原因，以及有助於控制連接器與PCB之間隱藏回流焊接的技術。

回流焊接對高頻寬射頻連接器的成功和性能具有重要的作用。有時，當高頻寬射頻連接器與優化的PCB發射架焊接在一起時，結果可能無法預測。調查回流焊接變化的根本原因，並分析哪些技術能夠在不同頻率下提供一致的性能，至關重要。

為了更好地控制回流焊接，可以對連接器、PCB及/或工藝流程進行變更。相關廠商如Samtec會定期對產品設計進行詳盡的根本原因分析。本文將詳細介紹一項具體示例，展示Samtec如何調整連接器、PCB和工藝流程，以開發高性能、推入式表面貼裝SMPM-XX-P-XX-ST-SM-1射頻連接器。

在SMPM表面貼裝連接器的示例中，仔細檢查PCB的焊點是重要步驟。最初的連接器設計是相對簡單的傳統兩片式接觸設計，該設計旨在焊接至PCB時保持頻寬40GHz。遺憾的是，最初的模擬器顯示性能低於25GHz。更糟的是，對焊點的即時檢查(圖1)導致「立碑」效應，在一些樣本上，中心觸點並未與電路板接觸。

圖1 注意此初始設計的「立碑」效應。像這樣的卡入式連接器有相當大的表面積，可獲得良好的黏合連結，需要牢牢地連結在電路板上

在重新設計連接器之前，Samtec對這個初始設計進行測試，發現其性能與最初的模擬結果非常匹配(圖2)。雖然測量的性能並未達到預期頻寬，但與設計模型的相關性為模擬方法建立信心。

重新設計連接器

最初確定的兩個促成因素包括：鍍金的厚度和絕緣體的熱膨脹係數。

研究發現，相對較厚的鍍金層會導致焊點不牢固，這也許是造成立碑效應的原因。絕緣體的熱膨脹係數很重要，因為其與中心接觸倒鉤上的機械應力相關，可能導致接觸點隨著熱膨脹而移動，並將連接器從電路板上抬起。

第一個全新設計的鍍金層更薄(外殼的鍍金層由30~50微英吋降至10~30微英吋)，絕緣體溫度更高，且具備一個延伸型接點。目標性能提高至55GHz。Samtec製作一些初始電路板，測試了立碑效應，接觸情況看起來還不錯。同樣，性能分析顯示，頻寬與初始設計相比有所增加，但在45GHz以上有明顯的VSWR變化(圖3)。

圖3 第一個重新設計的原型的性能顯示，頻寬增加至45GHz以上，但遺憾的是，其在45GHz以上也出現明顯的VSWR變化

同樣值得注意的是(注意圖3中的紅色軌跡)，一些數據在55GHz以下看起來非常好，因此決定透過診斷查找原因。時域反射儀(TDR)的結果同時顯示，在55ps時阻抗變化明顯大於2歐姆，在30ps時阻抗擴散明顯大於3歐姆(圖4)。在高精度連接器中，當產品和高質量PCB的組裝存在嚴格公差(Tight Tolerances)時，這種不一致是不可接受的。

造成變化的原因

透過目視檢查，注意到連接器上存在焊接燈芯效應(Solder Wicking)，一些樣本在本體和電介質周圍有明顯的燈芯效應。在其他情況下，連接器針腳上有多餘的焊料。連接器外部的焊料不會真正影響連接器的內部阻抗，但是，出現這種燈芯效應代表焊料也可能在連接器下方發生燈芯效應，由於位置較隱蔽，很可能將影響連接器的內部阻抗。

為了測試，取下連接器主體，將其焊接在電路板上，接著將其拔出。在焊盤處，可看到連接器的內側邊緣有明顯的焊料匯集(圖5)。

下一步是建立焊料模型，透過每次改變一個因素來研究其影響。

首先，在連接器的模擬模型中，在同一區域(隔離焊盤的背面)塗上一圈焊料，接著改變焊料的數量(直徑)和位置。模擬TDR分析的結果如圖6和圖7所示。

圖6 在這個模擬TDR分析中，改變了隔離焊盤背面的焊料用量，看到當隔離焊盤背面出現焊料匯集現象時，對阻抗的影響非常小

圖7 沿著垂直部分添加焊料，會產生有趣的非線性反應。但是，這與測量數據中觀察到的阻抗下降並不完全匹配，因此似乎並非主要因素

透過這些模擬，可確定隔離焊盤背面的焊料匯集影響不大，而沿逃逸區域的焊料匯集對阻抗的影響要大得多。不過，這兩種焊料匯集情況均未顯示與第一次重新設計相同的性能下降，需要繼續查找原因。

接下來觀察整個連接器，將其焊接在電路板上，再將其拔出。圖8中左邊的2張圖像顯示，有些將中心接點焊接到焊盤上。更糟糕的是，這種沿著針腳的燈芯效應在不同的樣本之間差異很大。事實上，幾乎沒有兩個樣本彼此相同。

圖8 機械拆除顯示出隨機數量的焊料燈芯狀況(左)，因此，將焊料燈芯添加至模擬模型中，以評估潛在影響

添加更多焊料時，阻抗會在50ps區域附近急遽下降。這與第一次重新設計的實證數據相吻合(圖9)。與連接器背面的焊料匯集相比，中心觸點的焊料燈芯顯然具有更顯著的影響。

更重要的是，頻域數據也顯示出與測量數據的高度一致性(圖10)。

圖10 帶有焊料燈芯的標稱模型與測量數據顯示出合理的一致性，包括58GHz左右的劇烈共振。在測量的樣本中仍存在變化，希望能將變化值降至最低

將VSWR的變化降至最低

儘管到目前為止已經有了一些經驗，但連接器的設計仍然有顯著的VSWR變化。為了解決這個問題，在以下三個方面進行檢查，並可能進行調整：連接器的設計、PCB端點設計以及焊料的處理。經過一系列的反覆修改，調整了連接器、PCB及工藝流程，以證實以上結論並確定其影響。

關於連接器的設計，在連接器的底部增加了一個切角，以盡量減少焊料堆積，並在焊料進入影響區域之前為其提供額外空間(圖11)。

圖11 在連接器的內部邊緣處增加切角，以最大限度地減少焊料堆積，並在不影響傳輸路徑的訊號完整性(SI)的前提下，為焊料流動提供額外的空間

在電路板的一側，於PCB焊盤上增加了一個「焊料控制尾」。這樣做的目的不是為了防止燈芯效應，而是讓燈芯效應造成的焊料位移維持在一個可預測的一致位置。實際操作時，焊料確實透過燈芯效應移到了更一致的位置，減少樣本之間的變化(圖12)。

接下來的目標為調整回流焊焊接過程。連接器的溫度曲線調整為更溫和的244℃峰值溫度，回流時間為62秒；相比之下，連接器的初始溫度曲線為254℃峰值溫度，回流時間為82秒。同時也調整了一些其他工藝流程(包括將水溶性焊錫膏換成免清洗焊錫膏)，並將環境氣體由氮氣換成空氣。此外，將鋼板厚度從0.005英吋縮小至0.004英吋，孔徑減小了總焊料體積(圖13)。

最終結果

透過改進設計和工藝流程，連接器的性能頻寬增加至55GHz。在一些樣本中，性能甚至達到了65GHz。透過調整設計，可滿足數據表VSWR的性能要求(圖14)。 SMPM-XX-P-XX-ST-SM-1射頻連接器的最終電氣數據可參考表1。

圖14 改進後的設計輕鬆實現性能目標，並展示65GHz的性能潛力(比55GHz的目標高出10GHz)

連接器之外的問題

既然PCB設計和焊接工藝流程對連接器的最佳性能至關重要，那麼連接器製造商可以做些什麼？

Samtec提供了一份參考PCB設計報告(用於已發表的實證數據)，其中包括完整的PCB堆疊結構、所有Vias的定義，以及所有圖層的圖像，並可要求提供每個圖層的單獨DXF文件或布局的完整3D模型，以及Gerber文件和電路板文件，取決於所採用的PCB布局。

除了本文中使用的故障排除工具和技術(包括X射線、機械拆卸、機械截面分析和測試面板開發)，Samtec也具有專門的模擬團隊，包括電氣工程設計與支援團隊(該團隊專門從事高速多引腳及射頻等不同的應用)，涉及結構、材料等領域的機械工程團隊，以及積極開發模型以模擬回流焊接流程的流體專家，致力於更好地理解和描述材料行為，目標是透過更多的預測建模，最大程度地減少設計重複修改。

Samtec的互聯處理組(IPG)專門從事焊接的所有修改，致力於連接器的成功實施，對諸多連接器設計進行詳盡的分析，並為客戶出具測試報告和評估報告。

連接器設計持續優化

此類連接器設計遇到的問題並不是其所獨有的問題。在高頻率下，每一個小細節都至關重要。為了實現最佳性能，擁有強大的模擬功能和多種故障排除和分析工具非常重要。回流焊接的困難及其對性能的影響會在所有高頻寬射頻連接器中體現。因此，在模擬、製造工藝流程、PCB和連接器設計方面的工作仍在繼續，旨在優化回流焊接的性能。