基于毛紐扣的垂直互連技術研究進展

劉賁，李江，喬正陽，劉小天，柯改利，何輝超

基于毛紐扣的垂直互連技術研究進展

劉賁1，李江2，喬正陽1，劉小天3，柯改利3，何輝超4a,4b

（1.貴州航天電器股份有限公司，貴陽 550009；2.中國空間技術研究院，北京 100094；3.西南科技大學 材料科學與工程學院，四川 綿陽 621010；4.重慶科技學院 a.冶金與材料工程學院 b.環境能源材料與智能裝備研究院，重慶 401331）

垂直互連技術具有互連路徑短、空間利用率高、速度快等諸多優點，對星載、艦載、彈載等實現微型化、輕量化、多功能化具有重要戰略意義。毛紐扣連接器作為一種彈性連接器，常用于低矮化多層印制板間的垂直互連，其自身體積小、微波性能好、工作頻段寬、易拆卸、低延遲，且可以有效抑制連接器內部信號的互感效應，減小信號傳輸的路徑長度和高頻信號的趨膚效應，在射頻微波領域具有重要用途。重點綜述了材料類型及電鍍金厚度對毛紐扣連接器性能的影響，歸納了通過建立理論模型分析毛紐扣連接器的電學性能及力學本構模型的方法，并揭示了高、低溫（?55～85 ℃）沖擊下毛紐扣連接器的可靠性，總結了其在印制電路板和微型連接器中的應用。總體來說，我國對毛紐扣垂直互連技術研究較少，特別是在宇航領域，還需積極地進行技術攻關，確保其在真空、溫度交變、輻射及原子氧等苛刻復雜的宇航服役環境中的可靠性。對此，綜述了基于毛紐扣連接器的垂直互連技術的基本原理，以及影響毛紐扣性能及可靠性的服役環境，分析了近年來國內外在毛紐扣連接器領域取得的研究進展，并展望了毛紐扣連接器的發展方向，可為基于毛紐扣連接器的垂直互連技術的發展提供有益的參考和啟示。

毛紐扣連接器；低矮化；垂直互連；微型化；輕量化；宇航

互連技術在各類衛星、載人飛船、貨運飛船、空間站、運載火箭、5G/6G通信、武器裝備、新能源汽車等領域占據重要地位[1-4]。互連技術由機械工程學、電子技術與信息科學等基礎科學和材料、元器件、互連設計、互連工藝及設備等基本技術支撐，主要包含元器件級、微系統級、整機系統級互連技術3大部分，是一項以電子機械工程學科的專業技術為基礎的綜合型工程技術[5]。目前，航天、航空、高端機電裝備、汽車、高鐵等領域的高端互連技術主要集中在美國、德國、法國等國，各電氣互連技術強國都對高端電氣互連技術進行了封鎖，以維持其壟斷地位。長期以來，我國在互連技術領域的研究基礎相對較薄弱，產品發展相對緩慢，缺少自主創新能力。因此，迫切需要進行互連技術攻關，大幅度提高基礎技術水平、技術集成能力和產業化能力，提高我國電氣互連技術的原始創新能力，以滿足我國相關領域技術發展的迫切需求。

電氣互連技術常采用連接器作為功能承載基礎單元，主要功能是連接兩個有源器件，實現信號的傳輸[6-11]。隨著微系統行業技術的飛速發展，以及大規模集成電路（LSI）、超大規模集成電路（VLSI）的廣泛應用，電路的性能水平得到極大提高，彈載、星載、機載、信息化單兵裝備等有效載荷性能的提高與結構的變化要求電氣互連技術必須相應地增強信息傳輸的可靠性、實時性、傳輸速率，并支撐武器裝備的小型化、輕量化、智能化，以適應武器裝備向高頻、高速、寬帶、高可靠發展的需求[12-17]。然而，現役互連技術顯然已無法徹底滿足各型號的需求，因此，迫切需要發展與之相適應的先進電氣互連技術。值得注意的是，傳統互連技術采用連接器及電纜進行信號傳輸，傳輸信號種類多，用電單元多，導致系統總體內部呈現“蜘蛛網”式的布局，不僅占空間，質量占比也顯著提高，且傳輸損耗、信號干擾、信號完整性等問題無法避免，只能通過高壓轉換降低傳輸損耗。因此，為了實現系統的多功能化、微型化、輕量化等，拓展信號傳輸維度是突破制約現役互連技術發展瓶頸的關鍵途徑之一。

垂直互連技術具有互連路徑短、空間利用率高、高速等諸多優點，對各型號實現微型化、輕量化具有重要戰略意義[18-21]。當前，以毛紐扣連接器為基礎的垂直互連技術因其具有無需焊接、高/低頻信號傳輸、易拆卸等優勢得到國內外研究者的重點研究[22-25]。毛紐扣連接器屬于彈性電連接器，按照一定工藝將細金屬絲進行編織、纏繞后形成內部金屬絲隨機交錯的結構，具有自身體積小、微波性能好、工作頻段寬、易拆卸、低延遲等優點，現已被美國及部分歐洲發達國家應用于眾多軍事領域[12,26-28]。當前，我國有關毛紐扣連接器的研究較少，研究成果發表情況如圖1所示，在中國知網中檢索“毛紐扣”關鍵詞，僅有少量研究。然而，美國及部分歐洲發達國家已將毛紐扣連接器應用于眾多軍事領域，技術封鎖嚴重。因此，我國需積極進行毛紐扣垂直互連技術攻關，大幅度提高基礎技術水平和產業化能力，以滿足我國相關領域發展的迫切需求。

圖1 毛紐扣連接器論文發表趨勢

與傳統連接器互連維度不同，毛紐扣具有垂直互連功能，可進一步提升互連維度，有利于推進各型號裝備朝小型化、輕量化發展。文中綜述了基于毛紐扣連接器的垂直互連技術的基本原理，以及影響毛紐扣性能及可靠性的服役環境，分析了近年來國內外在毛紐扣連接器領域取得的研究進展，并展望了毛紐扣連接器的發展方向，可為基于毛紐扣連接器的垂直互連技術的發展提供有益的參考和啟示。

1 毛紐扣連接器

垂直互連技術可分為周邊互連和面陣列互連。周邊互連是利用引線或導電薄膜將分布在印制電路板周圍的I/O端口連接起來，封裝密度較小；面陣列互連則利用焊料或插針將電路板上的端口連接起來，實現板間的垂直互連，封裝密度高，有利于促進各型號裝備朝小型化、輕量化發展[26,29]。然而，傳統面陣列互連需通過焊接等方式完成，缺陷較多，如不易拆卸、抗震動性能差、裝配工藝較復雜等。如圖2所示，毛紐扣作為一種彈性電連接器，主要用于低矮化多層印制板（PCB）間垂直互連，其互連原理為：經過機械壓合后將產生一定的彈性形變，同時提供一定的軸向正應力，進而可實現PCB板間的無焊連接，具有互連路徑更短、低矮化、壽命長、抗機械震動性能強、微波性能好、工藝相對簡單等優點[30-31]。

毛紐扣是按照一定工藝將細銅合金絲進行編織、纏繞后形成具有內部金屬絲隨機交錯結構的連接器，如圖3所示，故其波紋金屬絲可分離出內部感應磁場，降低信號傳輸的路徑長度和趨膚效應，在傳輸微波信號時，可等效成圓柱剛性體進行微波理論分析和仿真。毛紐扣連接器常用的合成材料有鈹青銅合金絲（BeCu）、鉬絲（Mo）、鎳鉻合金絲（NiCr）等[26]，不同材料所具有的性能也有所差異，如鈹青銅具有較高的彈性極限、較好的耐磨性、良好的導電性等，鉬絲和鎳鉻絲耐高溫性能好，但導電性能差，故實際生產中應參考服役環境選用合適的材料。此外，毛紐扣依靠機械彈性貼片實現不同功能模塊之間的垂直連接，無需焊接，具有良好的射頻和直流傳輸性能，能夠在不損壞及保持良好連接的同時，應對一些非常嚴重的振動，可以大大減少電纜的數量，從而實現系統體積更小、質量更好、維護更方便的目的。因此，毛紐扣連接器的應用越來越受到國內外研究者的關注，并在許多實際應用中取得了良好的效果[32]。相較于傳統電連接器，毛紐扣具有諸多優點，如自身體積小、微波性能好、工作頻段寬、易拆卸、低延遲，并且可有效抑制連接器內部信號的互感效應，減小信號傳輸的路徑長度和高頻信號的趨膚效應，在射頻微波領域具有重要用途[1,31,33-36]。

圖2 毛紐扣連接器垂直互連示意圖

圖3 毛紐扣連接器實物

毛紐扣的性能主要可分為機械性能、電學性能和環境性能3部分[37-42]。其中，機械性能主要指毛紐扣的抗壓性能和接觸機制，電學性能可歸結為不同條件（如壓縮量、溫度、震動等）下的電阻特性。毛紐扣通過彈性連接實現互連，在施加應力時不可避免地發生壓縮，因此，非常有必要研究材料的應力應變關系，建立應力-應變曲線，進而探究其抗壓性能[26]。此外，毛紐扣的機械性能還受到金屬絲間接觸方式的影響。一般來說，可將金屬絲之間的接觸方式分為未接觸、摩擦接觸和擠壓接觸3個階段。其中，金屬絲之間沒有相互作用力時為未接觸階段；摩擦接觸為金屬絲之間已經處于相互接觸狀態且會發生相對位移；擠壓接觸為金屬絲之間相互接觸且處于靜止狀態，無法發生相對位移。毛紐扣電學性能與電阻有關，而壓縮量、溫度沖擊、隨機震動強度均會影響其電阻特性，因此，有必要分別研究不同條件下的電阻，建立電阻與壓縮量、溫度、隨機震動的關系曲線，分析毛紐扣的電學性能。毛紐扣連接器的環境性能主要表現為抗震動、耐溫度沖擊、耐鹽霧、耐宇航環境能力。目前，毛紐扣連接器在我國已被應用于多個領域，但在宇航領域的應用仍處于相對落后階段。基于不同等級服役環境的特殊性，要求宇航級電連接器除了應具備一般軍用電連接器所具有的電氣性能和機械性能外，還需具備耐原子氧、耐紫外輻射、耐結露、耐低氣壓、低磁性等性能。

2 國內外研究進展

2.1 材料性能對毛紐扣性能的影響

毛紐扣是由金屬絲繞制而成的彈性電連接器，故金屬絲的種類對其性能有著重要影響。呂立鋒等[43]利用C17200鈹銅絲、Mo絲和Ni80Cr20絲制備了3種毛紐扣連接器，如圖4所示，探究了3種材料對毛紐扣連接器機械性能及電學性能的影響。結果表明，相較于Mo絲和Ni80Cr20絲所制備的毛紐扣連接器，在20次20%壓縮后，基于C17200鈹銅絲制備的毛紐扣連接器具有更優的回彈性能，回彈失效比例為1.1%，壓縮力為1.6 N。此外，Ni80Cr20絲電導率較低，其制備的毛紐扣連接器接觸電阻最大。因此，在制備毛紐扣連接器時，需綜合考慮金屬絲的彈性模量及導電能力等。此外，在特殊服役環境下，接觸件的穩定性是決定毛紐扣可靠性的重要考察指標，為符合服役條件，通常需在接觸件表面鍍金。一般而言，鍍金層越厚，孔隙率越低，更能保障鍍層性能。然而，與常規接觸件不同的是，過厚的鍍金層會降低毛紐扣接觸件的彈性性能，進而影響其互連性能。因此，能否準確測量毛紐扣接觸件鍍層厚度對其性能有著重要意義。

麻力等[44]對比分析了研磨制樣金相法、庫倫法和X射線熒光法3種常用鍍層厚度測量方法對于毛紐扣接觸件的適用性。選用國內常用毛紐扣接觸件進行剖面研磨制樣，由于鍍金層在研磨過程中易延展，故在金層表面采取鍍鎳措施以起到保護鍍金層的作用，并結合金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡，提出了一種全新的毛紐扣接觸件鍍層厚度測試方法。

2.2 結構設計對毛紐扣性能的影響

電學性能是衡量毛紐扣連接器互連性能的重要指標之一。Zhang等[12]結合毛紐扣的實際形狀及制造工藝，構建了3個毛紐扣電氣模型，分別為中空圓柱形鋼絲架結構、有序彎曲鋼絲微元模型和無序彎曲鋼絲的微元模型，如圖5所示。利用HFSS軟件對毛紐扣的電性能進行分析，并與實測毛紐扣的電性能數據進行對比，分別確定了3種模型電性能參數的準確性，為建立更準確的毛紐扣電性能模型提供了重要依據。

Huang等[30]從理論層面研究了毛紐扣連接器的力學本構模型。在毛紐扣結構的基礎上，分析了金屬絲的空間構型和接觸方式，提出了基于簡支梁結構的金屬單折線段細觀結構單元，推導了毛紐扣連接器在一定壓縮載荷作用下的本構模型。模型中包含了金屬絲的直徑和彈性模量、毛紐扣的相對密度、折線段的長度和纏繞角度等基本參數，如式（1）所示。從模型中可以看出，當不變時，與`、、成正比，與0和成反比。研究毛紐扣參數對工藝設計具有重要的指導意義，為進一步研究毛紐扣連接器的力學特性和指導實際應用提供了理論依據。

圖4 不同金屬絲繞制而成的毛紐扣

圖5 毛紐扣模型

式中：為應力張量；為金屬絲彈性模量；為金屬絲直徑；0為折線段長度；為接觸點到終點的距離；`為毛紐扣連接器的相對密度；為纏繞角度；為應變張量。

2.3 溫度沖擊對毛紐扣性能的影響

在高、低溫交替服役環境下，驟變的溫度將對接觸件外形造成重大影響，進而影響連接可靠性。柳明輝[45]采用CAITA V5軟件對毛紐扣垂直互連結構進行了建模，如圖6a、b所示，其中，毛紐扣直徑為0.3 mm，長3 mm，BGA球和測試板上孔的直徑分別為0.45、0.36 mm。由于毛紐扣和測試板熱膨脹系數不同，高、低溫沖擊時將發生相對位移，故需分別測量毛紐扣和測試板的形變量。結果表明，在低溫（?55 ℃）和高溫（85 ℃）條件下，毛紐扣的形變量分別為0.050 9、0.041 2 mm；測試板的形變量分別為0.051 3、0.041 6 mm，如圖6c—f所示。基于形變產生的對位偏差，對互連結構進行射頻仿真并分析了其對射頻傳輸性能的影響，最后結合仿真結果完成樣件試制，充分驗證了仿真結果的可靠性。

2.4 毛紐扣連接器的應用研究

Cianciolo等[46]采用毛紐扣連接器在2個垂直堆疊的印刷電路板上的匹配焊盤陣列之間實現了電接觸。為了保證電接觸的可靠性，其將待配對的電路板上的焊盤與固定在轉接板上的毛紐扣相互對準，并將印刷電路板-插入器-電路板夾層擠壓在一起（所有3個板和連接器外殼上的特征確保正確對準）。因此，不需要針腳穿透真空邊界。毛紐扣有鍍金鈹銅線（Au/Becu），采取這種方法沒有相應的磁信號（暴露在強磁場中后再次使用磁通門磁強計），且接觸電阻隨毛紐扣的相對壓縮程度而變化。對于30 mil Au/Becu毛紐扣連接器，在壓縮15%～20%的情況下，接觸電阻為40～50 m?，相當于約0.1 lbs的作用力。此外，毛紐扣連接器尺寸便于更改，有助于定制二維圖案排列。圖7a為連接器剖面圖，真空邊界兩側的導線焊接到印刷電路板（“A”或“C”）外邊緣的插座中。走線將每個印刷電路板（PCB）上的信號從導線插座帶到一組通孔，這些通孔將信號帶到電路板另一側的焊盤陣列。圖7b顯示了印刷電路板“A”的兩側。安裝在印刷電路板“A”和印刷電路板“C”上的插接板（圖7c）具有一系列與相應焊盤陣列對齊的壓力觸點（即毛紐扣連接器）。組裝完成后，電線、印刷電路板和插接板形成兩個電纜組件，并被插入到印刷電路板“B”中，以跨越真空邊界進行必要的電氣連接，實現了在不干擾真空邊界的情況下斷開真空邊界兩側信號的目標（見圖7d）。

圖6 毛紐扣與測試板高低溫仿真分析

采用毛紐扣連接器實現連接通常有兩種結構。一種結構是利用一種能夠使兩個相鄰基板上的共面線路垂直互連的介質將3個毛紐扣連接在一起。其中，毛紐扣的中間部分用于信號傳輸，其余部分用于接地，毛紐扣置于介質中，作為同軸結構的內導體。另一種結構為同軸類型，其中心連接器是一個毛紐扣。Shi等[47]在同軸式的基礎上，基于毛紐扣設計了一種超小型推入式連接器，由外導體、內導體、毛紐扣、介質材料和玻璃組成，其結構和實際產品如圖8所示。毛紐扣連接器的使用應確保微波信號的完整性。基于HFSS軟件，建立了三維毛紐扣傳動仿真模型。在該模型中，微波信號的傳輸選擇了共面波導傳輸線，共面波導結構中存在多種傳播模式，如MSL模式、共面微帶線（CPM）模式和縫隙線傳播模式。這3種模式和高階模式都是沿著傳輸線傳播的，將導致微波傳輸性能的惡化。為了抑制不必要的傳播模式，采用高密度陣列通孔連接上下地。類似于與絕緣子垂直互連的原理，毛紐扣相當于一個電感，還需要在共面波導線末端設置補償環。此外，毛紐扣和共面波導之間的連接必須確保對準精度。為了保證良好的微波連接，毛紐扣的壓縮余量應考慮為20%左右。

圖7 毛紐扣連接器在板間的應用

圖8 基于毛紐扣的超小型推入式連接器

3 結語

毛紐扣連接器可在無焊接條件下實現印制板的垂直互連，具有傳輸路徑短、互連密度高、微波特性極佳、易拆卸等優點，有利于促進各型號裝備朝著小型化、輕量化、高集成化、多功能化趨勢發展。本文重點綜述了毛紐扣連接器的基本性能，以及不同服役環境對毛紐扣連接器性能及可靠性的影響，以期為發展基于毛紐扣連接器的垂直互連技術提供有益的參考和啟示。

毛紐扣連接器具有諸多優點，對于各型號裝備朝小型化、輕量化發展具有重大戰略意義。目前，相較于美國及歐洲部分發達國家，我國在毛紐扣連接器領域的研究較少，還無法大量應用于各型號裝備，仍需進一步加速推進關鍵技術攻關。同時，苛刻的服役環境對毛紐扣連接器的各方面性能都提出了高要求。需要指出的是，在接下來的研究中，還需重點開展毛紐扣連接器在宇航領域的研究，如人造衛星、空間探測器、載人飛船、貨運飛船、空間站等，必須保證其在真空、溫度交變、輻射及原子氧等苛刻復雜的服役環境下的可靠性。此外，需進一步改進毛紐扣連接器設計及制造工藝，開展支持智能化、自適應可插拔模塊在軌組裝的智能機電互連技術等需求的探索，促使連接智能化、集成化、多維化。

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Research Progress of Vertical Interconnection Technology Based on Fuzz Button

LIU Ben1, LI Jiang2, QIAO Zheng-yang1, LIU Xiao-tian3, KE Gai-li3, HE Hui-chao4a,4b

(1. Guizhou Space Appliance Co., Ltd., Guiyang 550009, China; 2. China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Sichuan Mianyang 621010, China; 4. a. School of Metallurgy and Materials Engineering, b. Institute of Environmental Energy Materials and Intelligent Devices, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)

Vertical interconnection technology characterized by advantages, such as short interconnection path, high space utilization rate, high speed, etc., has important strategic significance for miniaturization, light weight and multifunction of space-borne, ship-borne, missile-borne, etc. As an elastic connector, the fuzz button connector is often used for vertical interconnection between low-rise multi-layer printed boards. It has the advantages of small size, good microwave performance, wide working frequency band, easy disassembly and low delay and can effectively restrain the mutual inductance effect of the internal signals of the connector and reduce the path length of signal transmission and skin effect of high-frequency signals, with important application in the field of RF microwave.The effects of material types and thickness of gold plating on the properties of fuzz button connector were summarized, and the methods of analyzing the electrical properties and mechanical constitutive model of fuzz button connector by establishing theoretical models were concluded. In addition, the reliability of fuzz button connector under high and low temperature impact (?55-85 ℃) was revealed, and its applications in printed circuit boards and miniature connectors were summarized.In general, there was little research on the vertical interconnection technology of fuzz button in China, especially in the aerospace field. It was still necessary to actively tackle key technical problems to ensure the reliability in the harsh and complex service aerospace environment such as vacuum, temperature alternation, radiation and atomic oxygen. Therewith, the basic principle of vertical interconnection technology based on fuzz button connector was reviewed, the service environment that affected the properties and reliability of fuzz button was summed up, the research progress made in the field of fuzz button connector at home and abroad in recent years was analyzed, and the development direction of fuzz button connector was prospected, which could provide useful reference and enlightenment for the development of vertical interconnection technology based on fuzz button connector.

fuzz button connector; low-rise; vertical interconnection; miniaturization; light weight; aerospace

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.02.024

TG356.14

A

1674-6457(2023)02-0209-09

2022?11?03

2022-11-03

中央軍委裝備發展部全軍共用信息系統裝備預研（專用技術）項目（31512040302-3）；航天江南集團有限公司科技委創新課題(G-A318-CG-2022-0065)；重慶科技學院科研項目經費（ckrc2022003）

Pre-research (Special Technology) Project of Common Information System Equipment of the Whole Army of the Equipment Development Department of the Central Military Commission (31512040302-3); Innovation of Science and Technology Committee of Jiangnan Aerospace Group Co., Ltd. (G-A318-CG-2022-0065); Funds for scientific research projects of Chongqing Institute of Science and Technology (ckrc2022003)

劉賁（1986—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天電子元器件研發與檢測。

LIU Ben (1986-), Male, Master, Senior engineer, Research focus: researching and testing of aerospace electronic components.

何輝超（1985—），男，博士，副教授，主要研究方向為連接器先進制造。

HE Hui-chao (1985-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: advanced manufacturing of connectors.

劉賁, 李江, 喬正陽等. 基于毛紐扣的垂直互連技術研究進展[J]. 精密成形工程, 2023, 15(2): 209-217.

LIU Ben, LI Jiang, QIAO Zheng-yang, et al. Research Progress of Vertical Interconnection Technology Based on Fuzz Button[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(2): 209-217.