基于毛紐扣的垂直互連技術(shù)研究進(jìn)展

劉賁，李江，喬正陽(yáng)，劉小天，柯改利，何輝超

基于毛紐扣的垂直互連技術(shù)研究進(jìn)展

劉賁1，李江2，喬正陽(yáng)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(yáng) 550009；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094；3.西南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；4.重慶科技學(xué)院 a.冶金與材料工程學(xué)院 b.環(huán)境能源材料與智能裝備研究院，重慶 401331）

垂直互連技術(shù)具有互連路徑短、空間利用率高、速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)星載、艦載、彈載等實(shí)現(xiàn)微型化、輕量化、多功能化具有重要戰(zhàn)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(nèi)部信號(hào)的互感效應(yīng)，減小信號(hào)傳輸?shù)穆窂介L(zhǎng)度和高頻信號(hào)的趨膚效應(yīng)，在射頻微波領(lǐng)域具有重要用途。重點(diǎn)綜述了材料類型及電鍍金厚度對(duì)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(xué)性能及力學(xué)本構(gòu)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(jié)了其在印制電路板和微型連接器中的應(yīng)用?？傮w來說，我國(guó)對(duì)毛紐扣垂直互連技術(shù)研究較少，特別是在宇航領(lǐng)域，還需積極地進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，確保其在真空、溫度交變、輻射及原子氧等苛刻復(fù)雜的宇航服役環(huán)境中的可靠性。對(duì)此，綜述了基于毛紐扣連接器的垂直互連技術(shù)的基本原理，以及影響毛紐扣性能及可靠性的服役環(huán)境，分析了近年來國(guó)內(nèi)外在毛紐扣連接器領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展，并展望了毛紐扣連接器的發(fā)展方向，可為基于毛紐扣連接器的垂直互連技術(shù)的發(fā)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(shù)在各類衛(wèi)星、載人飛船、貨運(yùn)飛船、空間站、運(yùn)載火箭、5G/6G通信、武器裝備、新能源汽車等領(lǐng)域占據(jù)重要地位[1-4]?；ミB技術(shù)由機(jī)械工程學(xué)、電子技術(shù)與信息科學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)和材料、元器件、互連設(shè)計(jì)、互連工藝及設(shè)備等基本技術(shù)支撐，主要包含元器件級(jí)、微系統(tǒng)級(jí)、整機(jī)系統(tǒng)級(jí)互連技術(shù)3大部分，是一項(xiàng)以電子機(jī)械工程學(xué)科的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合型工程技術(shù)[5]。目前，航天、航空、高端機(jī)電裝備、汽車、高鐵等領(lǐng)域的高端互連技術(shù)主要集中在美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)，各電氣互連技術(shù)強(qiáng)國(guó)都對(duì)高端電氣互連技術(shù)進(jìn)行了封鎖，以維持其壟斷地位。長(zhǎng)期以來，我國(guó)在互連技術(shù)領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)相對(duì)較薄弱，產(chǎn)品發(fā)展相對(duì)緩慢，缺少自主創(chuàng)新能力。因此，迫切需要進(jìn)行互連技術(shù)攻關(guān)，大幅度提高基礎(chǔ)技術(shù)水平、技術(shù)集成能力和產(chǎn)業(yè)化能力，提高我國(guó)電氣互連技術(shù)的原始創(chuàng)新能力，以滿足我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的迫切需求。

電氣互連技術(shù)常采用連接器作為功能承載基礎(chǔ)單元，主要功能是連接兩個(gè)有源器件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸[6-11]。隨著微系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及大規(guī)模集成電路（LSI）、超大規(guī)模集成電路（VLSI）的廣泛應(yīng)用，電路的性能水平得到極大提高，彈載、星載、機(jī)載、信息化單兵裝備等有效載荷性能的提高與結(jié)構(gòu)的變化要求電氣互連技術(shù)必須相應(yīng)地增強(qiáng)信息傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)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(yīng)武器裝備向高頻、高速、寬帶、高可靠發(fā)展的需求[12-17]。然而，現(xiàn)役互連技術(shù)顯然已無法徹底滿足各型號(hào)的需求，因此，迫切需要發(fā)展與之相適應(yīng)的先進(jìn)電氣互連技術(shù)。值得注意的是，傳統(tǒng)互連技術(shù)采用連接器及電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，傳輸信號(hào)種類多，用電單元多，導(dǎo)致系統(tǒng)總體內(nèi)部呈現(xiàn)“蜘蛛網(wǎng)”式的布局，不僅占空間，質(zhì)量占比也顯著提高，且傳輸損耗、信號(hào)干擾、信號(hào)完整性等問題無法避免，只能通過高壓轉(zhuǎn)換降低傳輸損耗。因此，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多功能化、微型化、輕量化等，拓展信號(hào)傳輸維度是突破制約現(xiàn)役互連技術(shù)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵途徑之一。

垂直互連技術(shù)具有互連路徑短、空間利用率高、高速等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)各型號(hào)實(shí)現(xiàn)微型化、輕量化具有重要戰(zhàn)略意義[18-21]。當(dāng)前，以毛紐扣連接器為基礎(chǔ)的垂直互連技術(shù)因其具有無需焊接、高/低頻信號(hào)傳輸、易拆卸等優(yōu)勢(shì)得到國(guó)內(nèi)外研究者的重點(diǎn)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(xì)金屬絲進(jìn)行編織、纏繞后形成內(nèi)部金屬絲隨機(jī)交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)，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(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被美國(guó)及部分歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用于眾多軍事領(lǐng)域[12,26-28]。當(dāng)前，我國(guó)有關(guān)毛紐扣連接器的研究較少，研究成果發(fā)表情況如圖1所示，在中國(guó)知網(wǎng)中檢索“毛紐扣”關(guān)鍵詞，僅有少量研究。然而，美國(guó)及部分歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家已將毛紐扣連接器應(yīng)用于眾多軍事領(lǐng)域，技術(shù)封鎖嚴(yán)重。因此，我國(guó)需積極進(jìn)行毛紐扣垂直互連技術(shù)攻關(guān)，大幅度提高基礎(chǔ)技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化能力，以滿足我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的迫切需求。

圖1 毛紐扣連接器論文發(fā)表趨勢(shì)

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

1 毛紐扣連接器

垂直互連技術(shù)可分為周邊互連和面陣列互連。周邊互連是利用引線或?qū)щ姳∧⒎植荚谟≈齐娐钒逯車腎/O端口連接起來，封裝密度較??；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(shí)現(xiàn)板間的垂直互連，封裝密度高，有利于促進(jìn)各型號(hào)裝備朝小型化、輕量化發(fā)展[26,29]。然而，傳統(tǒng)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(dòng)性能差、裝配工藝較復(fù)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(jīng)過機(jī)械壓合后將產(chǎn)生一定的彈性形變，同時(shí)提供一定的軸向正應(yīng)力，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)PCB板間的無焊連接，具有互連路徑更短、低矮化、壽命長(zhǎng)、抗機(jī)械震動(dòng)性能強(qiáng)、微波性能好、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[30-31]。

毛紐扣是按照一定工藝將細(xì)銅合金絲進(jìn)行編織、纏繞后形成具有內(nèi)部金屬絲隨機(jī)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的連接器，如圖3所示，故其波紋金屬絲可分離出內(nèi)部感應(yīng)磁場(chǎng)，降低信號(hào)傳輸?shù)穆窂介L(zhǎng)度和趨膚效應(yīng)，在傳輸微波信號(hào)時(shí)，可等效成圓柱剛性體進(jìn)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(dǎo)電性等，鉬絲和鎳鉻絲耐高溫性能好，但導(dǎo)電性能差，故實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)參考服役環(huán)境選用合適的材料。此外，毛紐扣依靠機(jī)械彈性貼片實(shí)現(xiàn)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(shí)，應(yīng)對(duì)一些非常嚴(yán)重的振動(dòng)，可以大大減少電纜的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)體積更小、質(zhì)量更好、維護(hù)更方便的目的。因此，毛紐扣連接器的應(yīng)用越來越受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注，并在許多實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果[32]。相較于傳統(tǒng)電連接器，毛紐扣具有諸多優(yōu)點(diǎn)，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(nèi)部信號(hào)的互感效應(yīng)，減小信號(hào)傳輸?shù)穆窂介L(zhǎng)度和高頻信號(hào)的趨膚效應(yīng)，在射頻微波領(lǐng)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(shí)物

毛紐扣的性能主要可分為機(jī)械性能、電學(xué)性能和環(huán)境性能3部分[37-42]。其中，機(jī)械性能主要指毛紐扣的抗壓性能和接觸機(jī)制，電學(xué)性能可歸結(jié)為不同條件（如壓縮量、溫度、震動(dòng)等）下的電阻特性。毛紐扣通過彈性連接實(shí)現(xiàn)互連，在施加應(yīng)力時(shí)不可避免地發(fā)生壓縮，因此，非常有必要研究材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，建立應(yīng)力-應(yīng)變曲線，進(jìn)而探究其抗壓性能[26]。此外，毛紐扣的機(jī)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(gè)階段。其中，金屬絲之間沒有相互作用力時(shí)為未接觸階段；摩擦接觸為金屬絲之間已經(jīng)處于相互接觸狀態(tài)且會(huì)發(fā)生相對(duì)位移；擠壓接觸為金屬絲之間相互接觸且處于靜止?fàn)顟B(tài)，無法發(fā)生相對(duì)位移。毛紐扣電學(xué)性能與電阻有關(guān)，而壓縮量、溫度沖擊、隨機(jī)震動(dòng)強(qiáng)度均會(huì)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(jī)震動(dòng)的關(guān)系曲線，分析毛紐扣的電學(xué)性能。毛紐扣連接器的環(huán)境性能主要表現(xiàn)為抗震動(dòng)、耐溫度沖擊、耐鹽霧、耐宇航環(huán)境能力。目前，毛紐扣連接器在我國(guó)已被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，但在宇航領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于相對(duì)落后階段?；诓煌燃?jí)服役環(huán)境的特殊性，要求宇航級(jí)電連接器除了應(yīng)具備一般軍用電連接器所具有的電氣性能和機(jī)械性能外，還需具備耐原子氧、耐紫外輻射、耐結(jié)露、耐低氣壓、低磁性等性能。

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 材料性能對(duì)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(duì)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(duì)毛紐扣連接器機(jī)械性能及電學(xué)性能的影響。結(jié)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(yōu)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(dǎo)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(shí)，需綜合考慮金屬絲的彈性模量及導(dǎo)電能力等。此外，在特殊服役環(huán)境下，接觸件的穩(wěn)定性是決定毛紐扣可靠性的重要考察指標(biāo)，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(guī)接觸件不同的是，過厚的鍍金層會(huì)降低毛紐扣接觸件的彈性性能，進(jìn)而影響其互連性能。因此，能否準(zhǔn)確測(cè)量毛紐扣接觸件鍍層厚度對(duì)其性能有著重要意義。

麻力等[44]對(duì)比分析了研磨制樣金相法、庫(kù)倫法和X射線熒光法3種常用鍍層厚度測(cè)量方法對(duì)于毛紐扣接觸件的適用性。選用國(guó)內(nèi)常用毛紐扣接觸件進(jìn)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(hù)鍍金層的作用，并結(jié)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(cè)試方法。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)毛紐扣性能的影響

電學(xué)性能是衡量毛紐扣連接器互連性能的重要指標(biāo)之一。Zhang等[12]結(jié)合毛紐扣的實(shí)際形狀及制造工藝，構(gòu)建了3個(gè)毛紐扣電氣模型，分別為中空?qǐng)A柱形鋼絲架結(jié)構(gòu)、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(duì)毛紐扣的電性能進(jìn)行分析，并與實(shí)測(cè)毛紐扣的電性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分別確定了3種模型電性能參數(shù)的準(zhǔn)確性，為建立更準(zhǔn)確的毛紐扣電性能模型提供了重要依據(jù)。

Huang等[30]從理論層面研究了毛紐扣連接器的力學(xué)本構(gòu)模型。在毛紐扣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了金屬絲的空間構(gòu)型和接觸方式，提出了基于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的金屬單折線段細(xì)觀結(jié)構(gòu)單元，推導(dǎo)了毛紐扣連接器在一定壓縮載荷作用下的本構(gòu)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(duì)密度、折線段的長(zhǎng)度和纏繞角度等基本參數(shù)，如式（1）所示。從模型中可以看出，當(dāng)不變時(shí)，與`、、成正比，與0和成反比。研究毛紐扣參數(shù)對(duì)工藝設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義，為進(jìn)一步研究毛紐扣連接器的力學(xué)特性和指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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(yīng)力張量；為金屬絲彈性模量；為金屬絲直徑；0為折線段長(zhǎng)度；為接觸點(diǎn)到終點(diǎn)的距離；`為毛紐扣連接器的相對(duì)密度；為纏繞角度；為應(yīng)變張量。

2.3 溫度沖擊對(duì)毛紐扣性能的影響

在高、低溫交替服役環(huán)境下，驟變的溫度將對(duì)接觸件外形造成重大影響，進(jìn)而影響連接可靠性。柳明輝[45]采用CAITA V5軟件對(duì)毛紐扣垂直互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，如圖6a、b所示，其中，毛紐扣直徑為0.3 mm，長(zhǎng)3 mm，BGA球和測(cè)試板上孔的直徑分別為0.45、0.36 mm。由于毛紐扣和測(cè)試板熱膨脹系數(shù)不同，高、低溫沖擊時(shí)將發(fā)生相對(duì)位移，故需分別測(cè)量毛紐扣和測(cè)試板的形變量。結(jié)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(cè)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(chǎn)生的對(duì)位偏差，對(duì)互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行射頻仿真并分析了其對(duì)射頻傳輸性能的影響，最后結(jié)合仿真結(jié)果完成樣件試制，充分驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

2.4 毛紐扣連接器的應(yīng)用研究

Cianciolo等[46]采用毛紐扣連接器在2個(gè)垂直堆疊的印刷電路板上的匹配焊盤陣列之間實(shí)現(xiàn)了電接觸。為了保證電接觸的可靠性，其將待配對(duì)的電路板上的焊盤與固定在轉(zhuǎn)接板上的毛紐扣相互對(duì)準(zhǔn)，并將印刷電路板-插入器-電路板夾層擠壓在一起（所有3個(gè)板和連接器外殼上的特征確保正確對(duì)準(zhǔn)）。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(yīng)的磁信號(hào)（暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)中后再次使用磁通門磁強(qiáng)計(jì)），且接觸電阻隨毛紐扣的相對(duì)壓縮程度而變化。對(duì)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(dāng)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(cè)的導(dǎo)線焊接到印刷電路板（“A”或“C”）外邊緣的插座中。走線將每個(gè)印刷電路板（PCB）上的信號(hào)從導(dǎo)線插座帶到一組通孔，這些通孔將信號(hào)帶到電路板另一側(cè)的焊盤陣列。圖7b顯示了印刷電路板“A”的兩側(cè)。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(yīng)焊盤陣列對(duì)齊的壓力觸點(diǎn)（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(gè)電纜組件，并被插入到印刷電路板“B”中，以跨越真空邊界進(jìn)行必要的電氣連接，實(shí)現(xiàn)了在不干擾真空邊界的情況下斷開真空邊界兩側(cè)信號(hào)的目標(biāo)（見圖7d）。

圖6 毛紐扣與測(cè)試板高低溫仿真分析

采用毛紐扣連接器實(shí)現(xiàn)連接通常有兩種結(jié)構(gòu)。一種結(jié)構(gòu)是利用一種能夠使兩個(gè)相鄰基板上的共面線路垂直互連的介質(zhì)將3個(gè)毛紐扣連接在一起。其中，毛紐扣的中間部分用于信號(hào)傳輸，其余部分用于接地，毛紐扣置于介質(zhì)中，作為同軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體。另一種結(jié)構(gòu)為同軸類型，其中心連接器是一個(gè)毛紐扣。Shi等[47]在同軸式的基礎(chǔ)上，基于毛紐扣設(shè)計(jì)了一種超小型推入式連接器，由外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體、毛紐扣、介質(zhì)材料和玻璃組成，其結(jié)構(gòu)和實(shí)際產(chǎn)品如圖8所示。毛紐扣連接器的使用應(yīng)確保微波信號(hào)的完整性。基于HFSS軟件，建立了三維毛紐扣傳動(dòng)仿真模型。在該模型中，微波信號(hào)的傳輸選擇了共面波導(dǎo)傳輸線，共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dāng)于一個(gè)電感，還需要在共面波導(dǎo)線末端設(shè)置補(bǔ)償環(huán)。此外，毛紐扣和共面波導(dǎo)之間的連接必須確保對(duì)準(zhǔn)精度。為了保證良好的微波連接，毛紐扣的壓縮余量應(yīng)考慮為20%左右。

圖7 毛紐扣連接器在板間的應(yīng)用

圖8 基于毛紐扣的超小型推入式連接器

3 結(jié)語(yǔ)

毛紐扣連接器可在無焊接條件下實(shí)現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)，有利于促進(jìn)各型號(hào)裝備朝著小型化、輕量化、高集成化、多功能化趨勢(shì)發(fā)展。本文重點(diǎn)綜述了毛紐扣連接器的基本性能，以及不同服役環(huán)境對(duì)毛紐扣連接器性能及可靠性的影響，以期為發(fā)展基于毛紐扣連接器的垂直互連技術(shù)提供有益的參考和啟示。

毛紐扣連接器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于各型號(hào)裝備朝小型化、輕量化發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。目前，相較于美國(guó)及歐洲部分發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)在毛紐扣連接器領(lǐng)域的研究較少，還無法大量應(yīng)用于各型號(hào)裝備，仍需進(jìn)一步加速推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。同時(shí)，苛刻的服役環(huán)境對(duì)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(diǎn)開展毛紐扣連接器在宇航領(lǐng)域的研究，如人造衛(wèi)星、空間探測(cè)器、載人飛船、貨運(yùn)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(fù)雜的服役環(huán)境下的可靠性。此外，需進(jìn)一步改進(jìn)毛紐扣連接器設(shè)計(jì)及制造工藝，開展支持智能化、自適應(yīng)可插拔模塊在軌組裝的智能機(jī)電互連技術(shù)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(fā)展部全軍共用信息系統(tǒng)裝備預(yù)研（專用技術(shù)）項(xiàng)目（31512040302-3）；航天江南集團(tuán)有限公司科技委創(chuàng)新課題(G-A318-CG-2022-0065)；重慶科技學(xué)院科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)（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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教祀娮釉骷邪l(fā)與檢測(cè)。

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?yàn)檫B接器先進(jìn)制造。

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

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