Миниатюрные вертикальные резьбовые соединители с предельной частотой 110 ГГц для соединения с печатными платами 100 000 раз

Введение

В 2021–2024 годах в Интернете появился ряд публикаций о создании канадской компанией DUT Electronics Inc. самого короткого в мире коаксиального резьбового соединителя – ACP-047 (вилки ACP-047-P/A и розетки ACP-047-J) с предельной частотой 110 ГГц для установки на печатные платы [1–7]. Соединитель ACP-047 предназначен для работы с полужёстким радиочастотным кабелем 0,047″ и, по мнению этой компании, является первым коммерчески доступным коаксиальным соединителем, в котором используется высокочастотное электрическое соединение встык с печатной платой. Такой подход обеспечивает высокую скорость работы и низкие потери. ACP-047 не применяет стандартное соединение «штырь и гнездо» и предназначен для компрессионного соединения с печатной платой без пайки.

Можно было бы пройти мимо этого события, так как ещё в 2014 году был разработан резьбовой соединитель 1 mm с предельной частотой 110 ГГц для поверхностного монтажа на печатные платы [8, 9]. Однако по сравнению с соединителем 1 mm соединитель ACP-047J действительно миниатюрнее в 1,6 раза по высоте: 4,97 и 7,9 мм соответственно (рис. 1) [2, 8]. 

Остальные геометрические размеры соединителей обоих типов практически одинаковые: резьба на корпусе М4×0,7-6g, стандартное расстояние между осями крепёжных отверстий на фланце – 7,16 мм. Так как миниатюризация является важнейшим направлением развития микроэлектроники СВЧ, это достижение канадской компании следует признать значимым.

Кроме того, в сообщении [2] было отмечено, что соединитель ACP-7 предназначен для соединения с компрессионной посадкой на печатную плату без пайки [2–4]. Однако вряд ли это можно считать достижением компании DUT Electronics Inc. Несколько ранее (в 2016–2018 годах) были созданы так называемые вертикальные радиочастотные соединители многих типов, в том числе и соединитель 1 mm для компрессионной установки на печатные платы без пайки (рис. 2) [9].

Справедливости ради следует заметить, что недостатком всех вертикальных соединителей является зависимость электрического контакта от величины компрессии. Вибрация и удары ослабляют соединение. К тому же каждый раз, когда соединитель отсоединяется или присоединяется, целостность соединения может нарушаться [10].

Привлекли внимание к соединителю АСР-47 компании DUT Electronics Inc. три обстоятельства:

1) отсутствие привычного соединения вилки и розетки: штырь–цанга;
2) более 100 000 циклов соединения и рассоединения c печатной платой без ухудшения параметров соединителя;
3) низкая стоимость соединителя ACP-047-J – почти в 8 раз дешевле, чем соединителя 1 mm: 35 и 275 долларов США соответственно [3, 9].

Что известно о конструкции соединителя АСР-047?

Известно не так много. Соединитель АСР-047 состоит из резьбовой кабельной вилки АСР-047-P/A и резьбовой розетки ACP-047-J, резьба М4×0,7-6g, и работает в сочетании только с полужёстким радиочастотным кабелем 0,047″. Известно также, что с печатной платой соединение происходит встык.

На рис. 3 показаны внешний вид вилки и розетки соединителя АСР-47 [3, 4].

На рис. 4 показаны габаритный чертёж, элементы конструкции и внешний вид соединителя ACP-047-P/A [3, 4].

Внутри корпуса, изготовленного из латуни и покрытого золотом по подслою никеля, располагается кабель 0,047″ в медной оболочке, соединённый с корпусом низкотемпературной пайкой или токопроводящим клеем.

На рис. 5 показаны габаритные чертежи и внешний вид соединителя ACP-047-J [3, 4].

Конструкция соединителя ACP-047-J достаточно проста и типична для резьбовых соединителей типа «розетка». Соединитель изготовлен из латуни и покрыт золотом по подслою никеля. Интерпозер (Interposer) изготовлен из меди и покрыт никелем. Диаметр и межосевое расстояние крепёжных отверстий в интерпозере близки к размерам фланца соединителя ACP-047-J.

В центре интерпозера расположены выступы чёрного цвета: восемь по кругу и один в центре. Согласно информации, представленной в работах [2, 5]:

• минимальный диаметр выступа: 0,25 мм;
• минимальный шаг выступов: 0,5 мм;
• минимальный диаметр отверстия в центре выступа: 0,15 мм;
• форма выпуклости выступа: произвольная;
• минимальная толщина подложки, на которую устанавливают соединитель ACP-047-J, – 0,1 мм.

Простой расчёт с использованием этих данных показывает, что диаметр описанной вокруг выступов окружности приблизительно равен 1,41 мм, а диаметр вписанной между ними окружности – 1,15 мм. Реально они несколько больше, так как при расчёте окружность была аппроксимирована восьмиугольником.

Но эти данные о размерах выступов расходятся с данными, приведёнными на рис. 6 [11].

На рис. 6в показана предполагаемая форма выступа в области контактирования с кабелем

Сравним эти размеры с размерами полужёсткого (Semi Rigid) радиочастотного кабеля 0,047″ с медной наружной оболочкой [12].

• Наружный диаметр кабеля: 1,194 ±0,025 мм.
• Диаметр центрального проводника: 0,287 ±0,0127 мм.
• Диаметр фторопластового изолятора кабеля: 0,949 ±0,0127 мм.

Как видно на рис. 7, медная оболочка кабеля опирается на выступы и занимает их значительную часть. Центральный проводник кабеля диаметром 0,29 мм также опирается на выступ диаметром 0,44 мм из проводящего компаунда, состав которого не приведён.

О соединении с печатной платой сказано только, что по своей функции оно аналогично соединениям, которые применяются для микросхем в корпусах типов LGA и QFN. Поэтому соединитель ACP-047 компания DUT Electronics Inc. называет «интерфейсным соединителем» [1].

В результате этого анализа становится понятным рекламируемое огромное количество соединений (сто тысяч) с печатной платой. Это соединение осуществляется за счёт контактирования с упругими выступами из проводящего органического компаунда. Изображение соединения соединителя ACP-047 с печатной платой, приведённое на рис. 7, подтверждает этот вывод.

На рис. 7 показано также, что в соединителе ACP-047 отсутствуют привычные воздушная коаксиальная линия, а также цанговый внутренний проводник розетки и штыревой проводник вилки. Всё это заменяет кабель 0,047″, предельная частота которого равна 109 ГГц [12].

В работах [2, 5, 6] приведена инструкция по установке интерпозера на печатную плату. Крепёжные отверстия Ø1,27 мм в интерпозере предназначены для ввинчивания винтов с резьбой 0-80 UNF (эквивалентной метрической резьбе М1,6), что меньше диаметра резьбы винтов. Поэтому винты нарезают резьбу в меди непосредственно при вкручивании. Это обеспечивает строгое позиционирование промежуточной прокладки относительно корпуса соединителя и кабеля. Интерпозер необходимо поместить на обратную сторону печатной платы, соблюдая правильную ориентацию его поверхностей, и совместить его крепёжные отверстия и отверстия в печатной плате. Затем ввернуть винты с нижней стороны печатной платы в интерпозер. После этого нужно установить на плату соединитель ACP-047-J, ввернуть винты во фланец соединителя и затянуть их (рис. 8). 

Судя по описанию и иллюстрациям, винты вкручивают лишь заподлицо с наружной стороной интерпозера, т.е. только «наживляют». Если их сразу вкрутить полностью, во-первых, не удастся проверить точность позиционирования корпуса перед прикручиванием, а во-вторых, при прикручивании корпуса разъёма резьба интерпозера будет сорвана, и винты расфрезеруют отверстия. В результате этого точность позиционирования корпуса и прокладки уменьшится, а сам интерпозер может быть деформирован и повреждён.

Электрические параметры соединителя ACP-047 (вилки и розетки)

Соединитель ACP-047-J (розетка), предназначенный для компрессионной установки без пайки на печатную плату с применением полужёсткого кабеля 0,047″, имеет следующие параметры [2, 3, 6]:

• максимальная рабочая частота 110 ГГц;
• количество циклов соединение – рассоединение более 100 000 (только для интерпозера);
• сопротивление контакта 4,8 мОм;
• максимальная величина постоянного тока 10,84 А;
• диапазон рабочих температур –20…+160ºC;
• габаритные размеры фланца ø9,91 мм × 4,97 мм.

Измерения электрических параметров соединителей ACP-047, установленных на печатную плату, были выполнены американской компанией Gate Wave Northern Inc. в 2021 году [2, 4]. К сожалению, методика измерений в этой работе не приведена. Известно только, что измерения были выполнены с использованием способа «Back–to–Back».

Результаты измерений КСВН (возвратных потерь) и вносимых потерь соединителя ACP-047J в зависимости от частоты (в диапазоне частот 0–100 ГГц) приведены на рис. 9 и 10.

Обобщённые значения КСВН и вносимых потерь приведены в таблице.

Для сравнения заметим, что соединитель 1 mm имеет КСВН не более 1,35 в диапазоне частот от 70 до 105 ГГц и не более 1,6 на частоте 110 ГГц [9].

Кабельный соединитель АСР-047-P/A (вилка) предназначен для применения с полужёстким кабелем 0,047″ и имеет следующие параметры: предельная частота 110 ГГц, габаритные размеры 5,9×11,4 мм, вес 1,5 г. Как и следовало ожидать, гарантированное количество соединений и рассоединений с розеткой – более 500, что типично для большинства резьбовых соединителей «вилка» [6]. Соединитель изготовлен из латуни с покрытием ENIG – иммерсионное золочение по подстою никеля, известное также как «мягкое золото» или Ni/Au. В корпусе соединителя предусмотрено отверстие для крепления в нём кабеля 0,047″ пайкой или склеиванием проводящим клеем.

Электрические параметры соединения АСР-47 с печатной платой после 100 000 соединений

Измерения возвратных и вносимых потерь были выполнены компанией Gate Wave Northern Inc. в диапазоне частот 0–40,05 ГГц в зависимости от частоты и количества соединений и рассоединений (от 0 до 100 000) с использованием векторного анализатора Agilent HP8722C VNA [2, 5, 12].

На рис. 11 приведены зависимости возвратных потерь соединителя ACP-047 от частоты после разных количеств соединений (от 0 до 100 000). Эти данные показывают, что после 100 000 соединений возвратные потери не превышают –20 дБ или КСВН не превышает 1,22.

Зависимость КСВН от частоты для разного количества соединений имеет спонтанный характер, что говорит о неопределённости точек контактирования при соединении.

На рис. 12 приведены зависимости вносимых потерь соединителя ACP-047 от частоты после разных количеств соединений (от 0 до 100 000). Максимальная величина потерь при увеличении количества соединений до 100 000 возрастает незначительно: с –0,17 дБ до –0,14 дБ. При этом зависимость величины вносимых потерь от количества соединений имеет непредсказуемый характер. По-видимому, на точности измерений сказывались некоторая неплоскостность выступов и различие в усилии сжатия.

В целом, изменения электрических характеристик после проведения такого большого количества соединений можно считать незначительными.

Компания Gate Wave Northern Inc. представила также фотографии внешнего вида выступов на интерпозере после 100 000 соединений (рис. 13) [12]. До проведения испытаний выступы интерпозера были, по-видимому, покрыты золотом по подслою никеля. После 100 000 соединений практически не было металлических частиц вокруг центрального проводника.

Применение соединителя ACP-047

По данным работы [13], соединители ACP применяют в автомобилестроении для подключения электрических компонентов и систем, а также в аэрокосмических системах, в системах авионики и навигации, связи, радарах, в военной технике. Эти соединители иногда используют и в телекоммуникационной инфраструктуре, включая волоконно-оптические сети, центры обработки данных и телекоммуникационное оборудование.

Заключение

Несколько слов о компании DUT Electronics Inc. DUT Electronics Inc. – канадская компания, разработчик высокочастотных долговечных радиочастотных кабелей. Основанная в 2018 году, она специализируется на уникальных соединительных решениях для тестирования изделий электроники и аэрокосмической промышленности.

Соединитель ACP-047, разработанный этой компанией, имеет ряд несомненных преимуществ по сравнению со стандартными соединителями 1 mm:

• миниатюрность и малый вес;
• отсутствие стандартного соединения центральных проводников вилки и розетки: соединение «штырь–цанга», поэтому никаких случайностей, никаких плохих или неполных контактов, никаких фатальных уходов геометрии и саморазрушений;
• простота и технологичность конструкции;
• компрессионный контакт c печатной платой, многоразовое соединение без пайки;
• корпусы вилки и розетки могут быть изготовлены из широкого спектра материалов, включая полимеры, если потребуется уменьшение веса изделия;
• низкая стоимость соединителя.

Компания DUT Electronics Inc. настойчиво сообщает о достигнутых 100 тысячах соединений с печатной платой. Возможно, для того, чтобы подчеркнуть исключительно высокую надёжность способа электрической коммутации через переходник (Interposer) конструкции соединителя АСР-047. Но при этом хотелось бы иметь данные о величине вылета кабеля при его установке в соединитель АСР-047-P/A (вилка), о допусках и о качестве среза кабеля (каковы допустимые неперпендикулярность оси и шероховатость среза). Поэтому неясно, за счёт в основном чего добились 100 000 соединений: за счёт супергибких контактных выступов или за счёт строго подгоняемых размеров сопрягаемых поверхностей?

Сто тысяч соединений можно расценить и как рекламный ход. Ведь речь идёт о соединениях кабеля 0,047″ с печатной платой, а соединение вилки и розетки – всего лишь более 500 раз. Да и кому нужно соединять соединители с предельной частотой 110 ГГц сто тысяч раз?

Кроме того, компания DUT Electronics Inc. среди достоинств соединителя АСР-047 упоминает его лёгкую замену в полевых условиях. Но непонятно, насколько сохраняется надёжность при замене одного лишь кабеля? Надо ли обязательно менять весь соединитель?

Ну и, наконец, для изготовления выступов интерпозера необходимы специальный компаунд с высокой упругостью и износостойкостью и непростая технология его установки в интерпозер.

Однако в целом разработка соединителя ACP-047 – несомненно оригинальное, новаторское достижение, которое открывает дорогу для создания многих типов соединителей аналогичной конструкции.

Литература

1. DUT Electronics Introduces First Commercial ACP Connector Design that Operates at Frequencies Over 100 GHz. December 18, 2024. URL: www.everythingrf.com.
2. Connectors | DUT Electronics Inc. URL: https://www.dutelectronics.com.
3. DUT Electronics | Depu Electronics. URL: https://www.depu.net.
4. Coaxial DUT Electronics. Eclectic Components. URL: https://www.eclecticcomponents.com.
5. Data | My Site. DUT Electronics Inc. URL: https://www.dutelectronics.com. 40 GHz stripline test board characterization.
6. ACP-047-P/A Coaxial Connector (RF) Assemblies Electronic components. URL: https://everbell.com.
7. Coaxial Connector (RF) Assemblies ACP-047-P/A DUT Electronics. URL: https://www.ichunter.com.
8. Southwest Microwave, 24359-001J, 1.0 mm Vertical Launch Vertical Launch Connector 1.0 mm Female 2-Hole .390 Long, DC to 110 GHz. URL: https://www.hasco-inc.com.
9. Джуринский К.Б. Зарубежные вертикальные радиочастотные соединители для установки на печатные платы без пайки // Электроника. Наука |Технология |Бизнес. 2025. № 1 (00242), стр. 106–114
10. GateWave Northern. Test Results DUT Electronics PCB/interposer. 11/23/22.
11. 47″ Semi Rigid Cable. URL: https://www.tt-telecom.ru.
12. DUT Electronics 047 Coax Interconnect Cycling Test Results. 11.24.2021. Gate Wave Northern.
13. You can now access DUT components through us, as a part of our partnership scheme. Eclectic Components. 21 февр. 2024 г. URL: https://www.eclecticcomponents.com.

© СТА-ПРЕСС, 2025

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!