連接器組裝/走線/鑽孔攸關性能　寬頻RF電路板端點設計眉角多

隨著PCB中高速連接的數量不斷增加，壓合式連接器具備的多項優勢可滿足這一需求，包括它們相對緊湊的特性，可在一塊PCB上放置多個，並且可放置在PCB上的任何地方，這使得它們可放置在靠近訊號需要到達的設備端，除此之外，它們還可以重複使用。

將壓合式連接器在PCB上實作並獲得全部頻寬需要精心的設計。就像賽車需要最佳的輪胎，使其獲得足夠的牽引力到賽道上，同時盡可能快速地行駛，射頻PCB連接器需要一個良好的端點設計結構，以獲得最大頻寬的訊號傳輸來進出PCB。

了解RF端點的定義

這個端點包含連接器、訊號通孔和通孔轉換到PCB內的導線。為了準確衡量這種組合的性能，連接器的頂端和Break Out Region，包括一小段線長(約2毫米)，都需要一起建模(圖1)。RF端點的設計是複雜的結構，沒有單一正確的解決方案。它們由許多元素組成，需要在電磁場求解器中進行調整以提供最佳的性能。圖2的每個子組件都代表端點設計的一個自由度，所有組件必須一起優化以獲得100GHz的頻寬。以下是對端點子組件的簡要描述：

．連接器

如前所述，連接器影響發射性能，需要在結構建模時包括在內。PCB和連接頭之間的過渡有複雜的相互作用，需要調整。

．連接器焊盤

焊盤的大小由連接器的機械限制決定。它需要足夠大，以便包容多數連接器或PCB生產差異而提供可靠的連結，同時也要足夠小，讓使用連接器的設計達到預期的性能水準。

．訊號通孔

從電氣上看，對於通孔，鑽孔尺寸是關鍵所在，而不是成品孔的尺寸。在試圖調整通孔端點時，擁有一份PCB供應商使用的常見鑽孔尺寸清單非常有用。鑽孔尺寸決定通孔內層的最小焊盤尺寸，越小則通孔性能越好。雷射鑽孔的微孔，由於改進了定位，可以允許非常小的焊盤尺寸，其環形圈小至2mil，具有L1：L2過渡(焊盤直徑=鑽孔直徑+2x環形圈)。對於更深的微孔，鑽孔尺寸和環形圈需要增加尺寸。

．調諧功能

用於均衡從焊盤/空隙區域到走線的阻抗。

．平面、空隙和接地環

端點下的接地平面將接地環連接在一起。平面上的空隙允許在訊號沿通道傳播時對其阻抗進行調整。在可能的情況下，最好在電源平面和訊號層上創建一個「接地點」。這可以確保沿通孔有足夠的金屬覆蓋，改善端點的準同軸結構和性能。

．接地環內/外

有兩個接地過孔環。內環對過渡的阻抗和截止頻率有很大影響。第二個接地環有助於密封內層接地環的通孔之間的空隙，阻止對相鄰傳輸的串擾。端點的性能在很大程度上取決於接地環。

調整不同的子組件以獲得寬頻寬，端點需要平衡幾個互相矛盾的限制。接下來，將詳細介紹四個關鍵的重點領域。

評估Via Stubs的影響

使用通孔轉接到內層時，通孔在超出轉接的內層之下的部分會產生一個截線(Stub)。頻寬目標越高，Stub對性能的影響越大。當Stub長度等於1/4波長的頻率時影響最嚴重(參見公式1)。

..........公式1

f0 = Stub = ¼波長時的頻率[Hz]

c = 真空中的光速[in/s]

Stub length = Stub的長度[in]

εR = 通孔(Via)看到的介電常數(Dielectric Constant)

雖然f0是影響最顯著的頻率，但早在這個頻率之前，通孔Stub就開始降低通孔轉換的性能，因為它為端點增加額外電容。

將通孔Stub的影響降到最低的常用策略是，將大部分的Stub用背鑽去掉。在背鑽過程中，PCB製造商從連接器端點的另一側鑽掉通孔Stub。但沒有一個製造過程是完美的，背鑽不能接近訊號端點層，因為擔心會破壞通孔和導線之間的接點。因此，在背鑽過程中，總會有Stub留下，而剩餘的長度也會產生公差。例如，一家PCB製造廠可能會說，剩餘的Stub長度可以是8mil±4mil。在這種情況下，背鑽的通孔可能會留下4~12mil長的Stub，是相當大的範圍。這是一個保守的Stub長度變化，在許多情況下，有可能得到更小的Stub。

為了說明推動最短Stub長度的必要性，請看圖3的16條曲線，每一條都對應著0~15mils之間的Stub長度。Stub長度越短，整個頻段的回波損耗就越好。為了更好地觀察頻寬的影響，回波損耗越過15dB水準(VSWR=1.4)的頻率繪製成圖4。關於曲線的形狀，有兩個要點需要注意： 第一，曲線並非線性，較長的Stub長度會導致通

孔轉換頻寬迅速下降；第二，對於短Stub長度，頻寬的減少並不明顯。因此，推動短的Stub和嚴格的公差，從增加端點工作頻寬和電路板上所有端點行為相似的兩種角度來看，都提供了明顯的好處。

到目前為止，只看了單個Stub的影響。每條內層走線至少有兩個Stub，一個在端點端，另一個在設備端。因此，由Stub引入的任何性能下降都將經由走線兩端的Stub之間建立的反射放大(圖5)。對於圖5所示的三種Stub長度中的每一個，在3吋長低損耗走線任一端的兩個通孔端點之間反彈的反射回波損耗影響以實線表示，而虛線顯示了單個端點的比較性能，在每一種情況下皆明顯優於雙通孔的情況。

理想情況下，針對通孔Stub的最佳緩解策略是使用完全沒有Stub的雷射通孔。然而，如果必須使用背鑽通孔，也可以在端點設計中對Stub引入的電容進行有限補償。在設計補償結構時，可能很想對最壞情況下的Stub長度進行補償。然而，如果Stub的公差很大，仍可能導致性能不佳。

為釐清這點，請看圖6。這裡假定6mil Nominal Stub的公差為4mil。端點補償的設計是為最壞情況10mil的Stub長度提供最佳阻抗匹配。因此，對於10mil的Stub，端點的阻抗在標值的1歐姆(Ω)以內。問題出現在Stub長度在公差另一端(2mil)的通孔中。對於這個Stub的長度，端點看起來相當有感應。請記住，電路板上的每一個Stub不需要長度相同。±4mil的公差可能會導致一些通孔看起來是電感性的，另一些則不是，即使它們是相鄰的端點。

正確的接地環尺寸

內接地環對端點的性能影響甚大，兩個主要因素決定內GND孔環的直徑：

．端點區域的阻抗

圖7展示透過將訊號鑽孔尺寸視為同軸電纜的中心導體直徑，將內部GND環直徑視為同軸電纜的屏蔽層直徑，可以確定端點區域的阻抗。對於長通孔，可以使用標值的系統阻抗(例如50Ω)作為目標阻抗。然而，短通孔會受到端點與連接器本體末端之間相互作用造成的電容性負載強烈影響。出於這個原因，更高的目標Z0(如70Ω)更好。如此，連接器+端點的平均效應就更接近於50Ω。

．端點所支援的高階模態的截止頻率

通常，在同軸RF連接器的端點中，只希望傳播基礎模式，這就是橫向電磁模式(TEM)。高於一定頻率稱為「截止頻率」，端點可以支援更高階模式。當這種情況發生時，能量會在不同的模式之間傳播，並由於傳播方式不同，訊號很快失真。為了防止這種情況，端點需要特別設計，使截止頻率位於想要的頻寬之外。圖7顯示截止頻率與GND環的大小和沿通孔傳播時的介電常數(εR)成反比。這些數字越高，截止頻率就越低，端點工作頻寬就越低。當直徑(Dv, DGND)以吋為單位時，圖7的fcutoff公式提供以GHz為單位的截止頻率。

阻抗和截止頻率也都與訊號沿孔道傳播時看到的介電常數成反比。值得注意的是，這個εR不需要與走線看到的值相匹配。原因是PCB由黏合在一起的層壓板組成。層壓板是複合材料，由玻璃纖維和樹脂組成，有芯板層和預浸層，每層都由玻璃纖維和樹脂層組成。由於每層介電性能各異，訊號看到的有效介電常數取決於其行進方向。換句話說，就介電常數而言，PCB各向異性。各向異性越高，通孔介電常數與走線相比差異越大。

為了實現高頻寬端點，樹脂和玻璃的介電常數應該低且相等，這確保通孔周圍盡可能低的介電常數，也確保最高截止頻率。圖8顯示，要達到>90GHz的截止頻率，訊號鑽孔直徑需要<5mil和<3.1mil的介電常數。圖中的數值可以作為指導RF端點設計的一個有用的起點。

由圖8可以從數學上理解為什麼端點的性能在截止頻率附近迅速下降。該情況的物理解釋，請參考圖9。此處端點和周圍的GND通孔的物理結構顯示在圖的左邊。通孔的綠色部分(左圖通孔的上半部)代表希望訊號能量通過的部分。然而，由於GND通孔是貫通的，它們繼續在走線的參考層以下，在訊號參考層以下形成波導結構。為了更直觀地了解這一點，在圖9右半部分顯示了一個概念性的示意圖。

圖9的右半部分顯示連接器將能量發射到端點的同軸部分，訊號能量沿著帶狀線傳播。然而，在布線參考層下面，GND通孔在訊號通孔下方形成圓形波導。在布線參考層下還有幾個由平面層和縫合的GND通孔形成的矩形通孔。在走線下方的圓形波導和矩形波導是非TEM結構，這意味著它們不能傳播低於fcutoff的能量。

有了這個理解，請看看能量在不同頻率下是如何在端點中流動的。圖10是低於fcutoff (左半部)和高於fcutoff (右半部)的電場模式。在fcutoff以下，能量保持在帶狀線層內，訊號通孔下方的圓形波導不能傳播能量，這正是原本希望發生的情況。不過，在fcutoff以上，圓形波導現在可以傳播能量並從TEM模式中去除沿帶狀線傳播的能量，並將其一部分透過參考層下方的矩形腔發送。這是不希望出現的情況，因為能量會經由平面空腔傳播到電路板的其他部分，造成串擾、輻射和其他不良影響。因此，保持在fcutoff以下對於獲得高性能、大頻寬的端點至關重要。

雖然圖10中顯示的場圖有助於理解導致性能不佳的物理效應，但計算場圖的計算量相當大且需要大量時間。有一種更快的方法可以查看端點性能是否因允許傳播高階模式而受到不利影響。圖11顯示一種稱為損耗因數的指標。損耗因數是未到達結構任何埠的能量量度。對於兩個埠的結構，例如∣S11∣2+∣S21∣2是流經埠1的總能量。這個能量若非傳輸至埠2(即∣S21∣2)，就是反射到埠1(即∣S11∣2)。這種情況下，損耗因數是1-(∣S11∣2 + ∣S21∣2)。圖11顯示在fcutoff以下，能量損失逐漸增加，與銅和電介質損失的能量相對應。然而，在fcutoff以上，損耗因數迅速增加，表示高階模式正將能量帶到結構的其他部分，端點表現不再如預期。

何謂錯位補償

錯位是指PCB的所有內層和外層沒有完全對準。為高頻寬設計端點時，這種順序的偏移會導致結構的表現與它的設計完全不同。針對錯位，有幾個需要考慮的面向。第一，錯位的確切數量很難提前量化；第二，錯位會對測量結果產生方向性影響。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於過孔到線的調協特性發生偏移引起。

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整。當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於線發射方向的錯位要強得多。

在圖13a繪製許多平行於錯位方向的端點走線TDR。另一方面，圖13b顯示垂直於錯位方向的端點走線TDR。顯然，平行於錯位方向的端點走線阻抗曲線變化明顯大於垂直於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後，接著說明一些緩解策略。這絕不是一個完整的清單，其他參數也可以調整，以減少製造的敏感性，與合作的PCB製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錯位，阻抗影響也能降到最低。

另外，對差分對的支路或匯流排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射(圖14右)。一旦它們離開連接器端點區域，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，已經解決了與端點的設計和製造相關的問題。PCB製作完成後，需要將連接器安裝在PCB上。用於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。然後從PCB的另一側送入螺絲，並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，當螺絲被鎖緊到最終位置時，在連接器上的力道也會導致它們旋轉，因而可能發生錯位。當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險，並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。螺絲孔的定位存在製造公差，透過將這種位置公差保持在最低限度，並確保孔的尺寸的嚴格公差，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格。為了獲得更嚴格的公差，鑽孔時使用光學檢測來完成該步驟定位連接器的著陸焊盤，接著根據該位置拾取鑽孔位置。如此一來，每個連接器的安裝孔都是相對於該特定位置的銅特徵來鑽孔。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並不夠。此外還規定了螺釘孔尺寸的嚴格公差，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。

如果定義銅特徵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並在需要時進行微調變得非常容易，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，由於凹槽與印刷電路板上的銅特徵對齊，安裝孔位置和焊盤位置之間的任何偏移都很容易察覺，消除對組裝效應是否對後續測量產生不利影響的任何疑問。

留心設計注意事項 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，也可以實現非常寬頻寬的RF端點，這並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、製造還是成本。這裡詳細闡述了一些最重要的設計注意事項，欲優化這些因素需要與PCB廠合作，以了解製造限制。最終，在許多情況下，要達到90~100GHz的頻寬，需要突破現今的製造極限。在設計過程初始就了解這些限制，對實現高性能的端點幫助很大。

(本文作者皆任職於Samtec)