Инновационные способы соединения печатных плат СВЧ

Введение

При создании многофункциональных устройств диапазона СВЧ с печатными платами, изготовленными по технологии поверхностного монтажа (SMT – Surface Mount Technology), необходимо обеспечить эффективное электрическое соединение этих плат между собой. Применяемые для этого радиочастотные соединители, устанавливаемые на платах (платные соединители), также должны иметь исполнение SMT.

Проще всего было бы решить эту задачу, применив соединители вилка, установленные на одной плате, соединители розетка – на противоположной плате и соединяющие их кабельные сборки. Но с повышением рабочего диапазона частот и возрастанием требований к миниатюризации устройств это решение зачастую становится неприемлемым.

Для решения этой задачи компанией Gilbert Corning (США) было предложено соединение между собой однотипных соединителей, обычно вилка, установленных на каждой из плат, при помощи адаптеров розетка-розетка, называемых «bullet» [1]. Дальнейшие работы зарубежных компаний были направлены на совершенствование этого соединения:

Компания Radiall (Франция) – один из мировых лидеров в области радиочастотных соединений – создала для этой цели серию межплатных соединителей MMP (Micro Miniature Pressure Contact – микроминиатюрный прессовый контакт). 

Соединение плат СВЧ с применением стандартного адаптера «bullet»

Соединение двух плат СВЧ состоит из вилок, установленных на каждой соединяемой печатной плате, и сочленённых с ними защёлкиванием или скольжением стандартных (например, длиной не менее 6,5 мм для соединителей SMP) адаптеров розетка-розетка «bullet». В процессе соединения плат центральные проводники вилок входят в цанговые контакты адаптеров «bullet». При этом вилки, установленные на одной плате, обеспечивают полное или ограниченное защелкивание, а на другой плате – скользящее соединение с адаптерами «bullet». Так как вилки с защёлкиванием удерживают адаптеры «bullet», при рассоединении плат эти адаптеры остаются на плате с этими вилками. Вилки со скользящим соединением позволяют легко рассоединять платы даже без применения специального инструмента.

Для монтажа на печатные платы используют вилки и адаптеры «bullet» миниатюрных и микроминиатюрных соединителей (с предельной частотой, ГГц) типов SMB (4), МСХ (6), ММСX (6), SMP-MAX (6), IMP (6), UMP (6), P-SMP (10), MMBX (12,4), SMP (26,5), SMPM (40). Рис. 1 иллюстрирует стандартное соединение печатных плат.

Требуемое расстояние между платами достигается применением адаптера «bullet» необходимой длины. Адаптер «bullet» обеспечивает надёжное соединение и компенсирует радиальную и осевую несоосности соединителей вилка, установленных на печатных платах. 

Cоединение печатных плат с применением сверхминиатюрного адаптера «bullet»

В связи с миниатюризацией изделий СВЧ и повышением плотности их компоновки необходимо было максимально уменьшить длину адаптера «bullet». Одним из самых миниатюрных является адаптер «bullet» вилка-вилка соединителей типа SMPM компании SV Microwave/Amphenol [2]. Длина корпуса этого адаптера 2,48 мм, и он обеспечивает соединение плат, отстоящих друг от друга на расстояние всего 3 мм. Соединение печатных плат с помощью адаптера «bullet» вилка-вилка показано на рис. 2.

На печатные платы устанавливают корпуса из нержавеющей стали, имитирующие интерфейсы полного защёлкивания и скользящего соединения, называемые «shroud», с резьбовыми отверстиями для крепления винтами на печатные платы. При соединении плат центральные проводники адаптера «bullet» непосредственно контактируют с микрополосковыми линиями печатных плат. Скользящее соединение обеспечивает лёгкое рассоединение плат без применения специального инструмента. Поэтому при рассоединении плат адаптер «bullet» остаётся на плате соединённым со «shroud» с интерфейсом полное защёлкивание.

Это соединение имеет следующие параметры: рабочий диапазон частот 0…40 ГГц, КСВН в диапазоне частот 0…18 ГГц – 1,10, в диапазоне частот 18…40 ГГц – 1,30; прямые потери 0,30 дБ на частоте 18 ГГц и 0,60 дБ на частоте 40 ГГц [2].

Соединители IMP

В начале 2000-х годов компания Radiall запатентовала конструкцию ультраминиатюрных соединителей IMP (Interconnected Micro Miniature Pressure Contact) с нажимными пружинными контактами для непосредственного соединения печатных плат без применения адаптеров [3, 4]. Соединители R107064070 обеспечивают соединение плат с расстоянием между ними 2 мм, а соединители R107064920 – с расстоянием 3 мм. Соединение печатных плат с помощью этих соединителей иллюстрирует рис. 3 [3].

Один соединитель IMP заменяет две вилки, установленные на печатной плате, и соединяющий их адаптер «bullet». Необходимо отметить, что соединитель IMP самостоятельно не обеспечивает точное расстояние между соединяемыми платами. Для этого потребитель должен применить спейсер (прокладка соответствующей толщины).

Конструкция и внешний вид соединителей R107064070 и R107064920 показаны на рис. 4 и 5.


Корпуса соединителей и центральный контакт изготовлены из термо­упрочнённой бериллиевой бронзы и покрыты золотом толщиной 0,5 мкм по подслою никеля толщиной 2 мкм. Материал изолятора соединителей – фторопласты PTFE или PEEK.

Установка соединителей на печатную плату осуществляется низкотемпературной пайкой. Соединители IMP адаптированы к автоматизированным процессам установки на печатные платы и пайки. Пайку соединителей на печатную плату рекомендуется выполнять с применением паяльной пасты, состоящей из припоя SnAg4Cu0.5 и флюса с низким содержанием остатков после пайки. В зону пайки на печатной плате паяльную пасту толщиной 150 мкм наносят трафаретной печатью. Максимальная пиковая температура пайки 260°С, время выдержки при этой температуре 10 секунд. При соединении допускается аксиальное смещение соединителя до ±0,2 мм и радиальное смещение до 0,2 мм. Соединители поставляют партиями 100, 600, 2500 или 3500 штук, упакованными в ленту, намотанную на катушку.

Основные технические характеристики соединителей IMP приведены в таблице.

Допустимая пропускаемая мощность этих соединителей на частоте 3 ГГц при температуре 20°С на уровне моря равна 20 Вт.

Основное применение соединителей IMP – соединения типов «плата-плата» и «плата-антенна» в устройствах беспроводной связи, мобильных телефонах, GPS-приёмниках и др. 

Cоединители IMP-LP компании Radiall

Компания Radiall пошла ещё дальше, предложив способ соединения плат СВЧ, расположенных на очень близком расстоянии друг от друга (1,41 мм), без применения адаптеров «bullet» и с установкой соединителей на платы без пайки. В 2019 году ею были созданы оригинальные ультраминиатюрные межплатные соединители IMP-LP (IMP/ Board to Board Connectors) двух модификаций: R107802000 и R107803000 с внутренними и внешними прижимными упругими (прессовыми) контактами [5–8]. IMP-LP (Interconnected Micro Miniature Pressure Contact. Low Profile) – это соединитель, заменяющий две вилки и адаптер «bullet». Внешний вид соединителя R107802000 показан на рис. 6.

Конструкция (а) соединителя IMP-LP типа R107802000 показана на рис. 7.

Соединитель R107803000 является сдвоенным соединителем R107802000 в одном корпусе (Double IMP). Внешний вид и конструкция соединителя R107803000 показаны на рис. 8.

Корпуса соединителей IMP-LP изготовлены из бронзы, центральный провод­ник выполнен из термоупрочнённой бериллиевой бронзы и покрыт золотом толщиной 1,3 мкм по подслою никеля толщиной 2 мкм. Покрытие корпусов соединителей – NPGR (Nickel Phosphorous Gold Radiall) – слой немагнитного химического никеля с содержанием более 10% фосфора, на который нанесён тонкий слой золота для защиты от коррозии.

Материал изолятора PEEK – органический термопластичный полимер с частично кристаллической структурой (40%), в котором удачно сочетаются высокие механические свойства, химическая и радиационная стойкость, стабильность размеров и приемлемые диэлектрические свойства. На частоте 1 МГц диэлектрическая проницаемость PEEK равна 2,2…3,3, тангенс угла диэлектрических потерь – (10…40)10^–4. В соединителях IMP-LP этот полимер применяют, по-видимому, благодаря возможности его литья под давлением. Фторопласт (PTFE) в этих микроминиатюрных соединителях было бы технически сложно применить, так как при нагревании этот полимер не переходит в вязко-текучее состояние, что исключает возможность его литья под давлением.

Соединение печатных плат с помощью соединителей IMP-LP состоит из следующих операций.

На рис. 12 показано соединение платы PCB с платой LTCC с помощью соединителя R107802000. 

Параметры соединителей IMP-LP

Основные параметры соединителей IMP-LP приведены в табл. Этот микроминиатюрный соединитель диаметром 3,9 мм обеспечивает сверхнизкое расстояние между платами: 1,34 мм. Наименьшее осевое смещение расстояния от платы до платы составляет ±0,1 мм.

Соединители IMP-LP были квалифицированы для работы в сложных условиях MIL-AERO, где требуется устойчивость к вибрации и ударам, что позволяет их применять во встроенных системах радиолокации и радиоэлектронной борьбы. Предполагается, что соединители IMP-LP найдут применение в радарах, антенных устройствах и в приложениях, требующих миниатюрного соединения печатных плат. 

Заключение

Необходимо отметить, что при установке на платах большого числа соединителей с нажимными контактами достаточно сложно обеспечить надёжное контактирование соединяемых печатных плат. Для этого необходимо, чтобы соединители имели идентичные размеры контактов и их упругие свойства.

Зарубежные компании постоянно совершенствуют способы соединения печатных плат СВЧ с целью миниатюризации выпускаемых устройств и повышения технологичности их изготовления. С этой целью компании создают всё более миниатюрные соединители СВЧ, совершенствуют способы изготовления печатных плат и способы установки на них соединителей. 

Литература