自對準MEMS連接器走向超高密度

聞春國 譯

(四川華豐企業(yè)集團有限公司，四川綿陽621000)

1 引言

由于采用批量化生產(chǎn)，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)以較低的成本為未來連接器設(shè)計的微型化要求提供了有力的保證。人們已經(jīng)多次嘗試采用MEMS技術(shù)來制造可分離式連接器。不過，到目前為止，設(shè)計人員一直局限于插針橫向彎曲這種設(shè)想，這就不利于達到其最佳性能。

但是最近，人們已經(jīng)研制出樣品級的高密度連接器。其性能優(yōu)于其它MEMS類替代品，并且其成本也比其它同類品種有所降低。

該設(shè)計基于一種兩件套的直列式連接器結(jié)構(gòu)，這樣就可以在手工連接過程中完成精確的自行對準。插針所具有的剖面構(gòu)造使之可以產(chǎn)生非平面彎曲變形，這樣就可以同時提高其接觸力和插針密度。該樣品器件的間距只有150μm。測試表明，它具有較低的接觸電阻，并具有良好的耐滑動摩擦和熱量波動。

2 MEMS連接器的優(yōu)點及其應(yīng)用

可分離式電連接器要求在多次插合之后，在一系列環(huán)境條件下以及在整個壽命期限內(nèi)能夠為電系統(tǒng)內(nèi)的子組件之間提供穩(wěn)定的可分離式接口。

試驗表明，它比固定式連接器的優(yōu)點包括:(1)通過并行生產(chǎn)分立式模件可以最大限度地降低生產(chǎn)成本;(2)可分離式連接器可以便于用戶修理或替換有缺陷的元件。

可分離式連接器的主要市場在于消費類電子、計算機硬件、通信和汽車工業(yè)。在消費類電子領(lǐng)域，主流的便攜式微型電子產(chǎn)品(如移動電話、數(shù)碼相機和掌上電腦)減小尺寸和重量的驅(qū)動力促進市場對更高的互連密度的需求。其它市場驅(qū)動力則來自一些并不常見的應(yīng)用領(lǐng)域，例如超行星探索或醫(yī)療植入器件等，其主要優(yōu)勢在于它能大大地節(jié)約設(shè)備或裝置的有限空間和重量，見圖1所示。

圖1 作為美國國家太空總署2007年發(fā)射研究計劃一部分的微型原子力顯微鏡(AFM)通過一根FPC電纜線與一個0.64mm間距的納米D型連接器連接。

在一切應(yīng)用領(lǐng)域中，人們往往需要在其應(yīng)用過程中不會出現(xiàn)性能損失的微型、高密度可分離式連接器。這樣就要求改善連接器的性能，提高其插針密度。

目前，接觸間距小到幾百微米的體積小、密度高的連接器已經(jīng)面市。例如以柔性印刷電路(FPC)的形式存在，其導線內(nèi)置于暴露在任意一端的柔性聚合物內(nèi)，以便于借助于零插入力連接器實現(xiàn)電路板的電氣連接。

為了得到更大的抗扭矩作用，可插入式連接器件一般都與塑料殼體結(jié)合使用。到目前為止，這種類型的最小連接器件是由以前的西門子機電公司(1999年并入Tyco國際公司)開發(fā)的一件樣品。該樣品由32個插針組成，其間距為250μm，分兩行排列，采用開放式半幀格式。在提供適當?shù)慕拥貤l件下，它可以在從直流(DC)到幾個G赫茲的頻率范圍內(nèi)正常工作。

由于制造商一般采用金屬切屑和沖壓工藝來形成連接插針，所以，其微型化程度受到一定的限制。采用MEMS生產(chǎn)技術(shù)可以進一步減小器件的尺寸，以利于推出插針密度更高的下一代微型連接器。因為該器件采用批量生產(chǎn)，它比其它生產(chǎn)方法成本更為低廉。

用于射頻和微波應(yīng)用領(lǐng)域的微標度開關(guān)的MEMS技術(shù)可以提供低功率轉(zhuǎn)換和其它優(yōu)勢。不過，人們已經(jīng)很少采用MEMS技術(shù)來開發(fā)高密度連接器。基于直列式可插入器件的現(xiàn)有設(shè)想由固定式插針組成。在連接時，它可能會誘發(fā)連接端的相應(yīng)插針發(fā)生水平(側(cè)向)彎曲。

如果相鄰插針在間隔處發(fā)生彎曲，那么就需要在接觸力和插針密度之間采取一個折衷方案。接觸件的接觸電阻越低則要求接觸力越高;然而，這也受到插針密度增大的限制。如果插針能承受非平面彎曲，那么在傳統(tǒng)的可插入式連接器中，插針填充物可以減少到維持線路分隔所需要的最低極限，同時也可以使接觸力實現(xiàn)最大化。

通過簡單分析可以看出，基于插針非平面彎曲的這種設(shè)計其性能一般優(yōu)于那種發(fā)生橫向彎曲的插針，因為其間距已經(jīng)降低到某一點以下。根據(jù)典型的MEMS工藝參數(shù)，這一點發(fā)生在間距為200μm時。

3 一種全新的MEMS設(shè)計理念

最近，英國倫敦皇家研究院推出一個全新的MEMS連接器設(shè)計理念，它具有自行對準和非平面插針彎曲雙重優(yōu)勢。該連接器由兩件套直列式連接器組成，其中一件的固定導向裝置向接受器件上的一組柔性導體施加壓力使之發(fā)生垂直彎曲。

功能樣品器件具有一個150μm的極小間距，經(jīng)過測試其接觸電阻僅為30 mΩ。這些器件是采用使用標準的大批量微加工和電鍍MEMS工藝在定向硅(Si)基片上制作的。了解非平面插針彎曲變形的關(guān)鍵是用基片作為模塊使已經(jīng)電鍍的導體加工成型。

在氫氧化鉀(KOH)溶液中進行各向異性蝕刻往往會在邊壁處形成一個坡度，這可以由晶面來確定。電鍍導體可以在這些區(qū)域的垂直(非平面)方向進行擠壓成型，這樣一旦離開基片就可以在串聯(lián)過程中產(chǎn)生彎曲。

這一方法還有一個優(yōu)點是凸起部分呈斜坡形狀，從而減小了發(fā)生短線的可能性。硅基片上呈斜坡形狀還可以在連接部分形成一種互鎖對準特性，這樣在手工連接過程中就可以形成自行對準，見圖2。

如果斜坡面由晶面來定義的話，就可以完成精確的橫向?qū)?，這樣就可以防止高密度導體在排列過程中相鄰線路之間發(fā)生短路現(xiàn)象。此外，它還可以設(shè)置一個垂直距離，以便在連續(xù)插合過程中使插針的彎曲度保持一致。

MEMS制造工藝適用于涉及蝕刻和電鍍(沉積)等二維平面加工步驟的結(jié)構(gòu)形成。而三維結(jié)構(gòu)的形成則與這一工藝有所不同，容易引發(fā)許多問題。

僅僅通過傳統(tǒng)的螺旋涂鍍層還無法在非平面基片上通過涂覆光致抗蝕劑來確定其電鍍鑄模。因此，研究人員采用電泳光致抗蝕劑在凸起的蝕刻處形成一個光致抗蝕劑電泳的近敷形涂覆層，允許電沉積層以及鎳(Ni)中非平面導體鍍有一層薄薄的表面金鍍層(Au)。光致抗蝕劑含有帶電的微粒，使之在一層合適的導電性籽晶層之后通過一種電鍍工藝施加到基片上。

圖2 采用微型導軌槽有助于MEMS連接器的自行對準(上圖);在凸起的蝕刻處形成一個光致抗蝕劑電泳近敷形涂覆層，其深度為100μm(下圖)。

再通過另一個各向異性蝕刻步驟，柔性導體從基片上釋放出來，使余隙孔腔可以接納插針的彎曲變形，見圖3中的上圖。從初步的電性能特征描述可以看出其接觸電阻較低，其變化量與接觸力的變化相反，見圖3中的下圖。進一步試驗表明，接觸電阻與連接器的插合次數(shù)和環(huán)境溫度波動有關(guān)。

接觸點之間重復(fù)出現(xiàn)的滑動可能會導致柔軟的Au鍍層的損失，從而導致與下面的鎳鍍層發(fā)生直接接觸，而熱量循環(huán)又會誘發(fā)導體內(nèi)各個金屬層發(fā)生不同的熱膨脹效應(yīng)。其最終結(jié)果就是該導體隨著溫度的增大而發(fā)生向下彎曲，與此同時減少其接觸力，增加連接器的接觸電阻。

為了提高連接器對溫度和接觸件摩擦的穩(wěn)定性，必須對此作一些必要的改進。人們發(fā)現(xiàn)，采用更為耐磨的鈷/金(Co－Au)合金電鍍層在插拔100多次后連接器仍然保持穩(wěn)定的接觸電阻，見圖4中的上圖。通過導體層的改進(使其排列更為均稱)可以提高其耐熱性能，并減少其受熱變形凈變化量。

圖3 所推出的間距為250μm的插針覆蓋在余隙孔腔上，其側(cè)面為校準軌道(上圖);下圖為接觸力(mN)與測得的接觸電阻(mΩ)的變化量關(guān)系曲線。

圖4 接觸電阻(mΩ)在摩擦(上圖)和熱波動(下圖)過程中與插入次數(shù)和溫度的關(guān)系曲線。

通過測試我們可以獲得間距為150μm、具有不同的插針長度以及60°C的溫度范圍內(nèi)的兩個連接器器件穩(wěn)定的接觸電阻數(shù)據(jù)，見圖4中的上圖。這些預(yù)研項目的測試結(jié)果值表明，在不久的將來這一設(shè)想可望在一些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)。通過模塊疊合(包含柔性插針面對面疊置)，使用適當?shù)奶畛洳牧?，并在帶有固定插針的某一模塊的任意一端進行導體電鍍就可以實現(xiàn)雙行插針排列。

需要進行更為細致研究的后續(xù)工作就是采取一個方案以一種可靠的方式將小間距線纜與連接器連接起來，并對該系統(tǒng)的整體性能進行相應(yīng)的評估。此外，我們還應(yīng)該注意其封裝設(shè)計，以便使配對的模塊保持插合狀態(tài)，使之具有防止污染，預(yù)防機械損傷和電磁干擾的作用。