基于毛纽扣的垂直互连技术研究进展

刘贲，李江，乔正阳，刘小天，柯改利，何辉超

基于毛纽扣的垂直互连技术研究进展

刘贲1，李江2，乔正阳1，刘小天3，柯改利3，何辉超4a,4b

（1.贵州航天电器股份有限公司，贵阳 550009；
2.中国空间技术研究院，北京 100094；
3.西南科技大学 材料科学与工程学院，四川 绵阳 621010；
4.重庆科技学院 a.冶金与材料工程学院 b.环境能源材料与智能装备研究院，重庆 401331）

垂直互连技术具有互连路径短、空间利用率高、速度快等诸多优点，对星载、舰载、弹载等实现微型化、轻量化、多功能化具有重要战略意义。毛纽扣连接器作为一种弹性连接器，常用于低矮化多层印制板间的垂直互连，其自身体积小、微波性能好、工作频段宽、易拆卸、低延迟，且可以有效抑制连接器内部信号的互感效应，减小信号传输的路径长度和高频信号的趋肤效应，在射频微波领域具有重要用途。重点综述了材料类型及电镀金厚度对毛纽扣连接器性能的影响，归纳了通过建立理论模型分析毛纽扣连接器的电学性能及力学本构模型的方法，并揭示了高、低温（‒55～85 ℃）冲击下毛纽扣连接器的可靠性，总结了其在印制电路板和微型连接器中的应用。总体来说，我国对毛纽扣垂直互连技术研究较少，特别是在宇航领域，还需积极地进行技术攻关，确保其在真空、温度交变、辐射及原子氧等苛刻复杂的宇航服役环境中的可靠性。对此，综述了基于毛纽扣连接器的垂直互连技术的基本原理，以及影响毛纽扣性能及可靠性的服役环境，分析了近年来国内外在毛纽扣连接器领域取得的研究进展，并展望了毛纽扣连接器的发展方向，可为基于毛纽扣连接器的垂直互连技术的发展提供有益的参考和启示。

毛纽扣连接器；
低矮化；
垂直互连；
微型化；
轻量化；
宇航

互连技术在各类卫星、载人飞船、货运飞船、空间站、运载火箭、5G/6G通信、武器装备、新能源汽车等领域占据重要地位[1-4]。互连技术由机械工程学、电子技术与信息科学等基础科学和材料、元器件、互连设计、互连工艺及设备等基本技术支撑，主要包含元器件级、微系统级、整机系统级互连技术3大部分，是一项以电子机械工程学科的专业技术为基础的综合型工程技术[5]。目前，航天、航空、高端机电装备、汽车、高铁等领域的高端互连技术主要集中在美国、德国、法国等国，各电气互连技术强国都对高端电气互连技术进行了封锁，以维持其垄断地位。长期以来，我国在互连技术领域的研究基础相对较薄弱，产品发展相对缓慢，缺少自主创新能力。因此，迫切需要进行互连技术攻关，大幅度提高基础技术水平、技术集成能力和产业化能力，提高我国电气互连技术的原始创新能力，以满足我国相关领域技术发展的迫切需求。

电气互连技术常采用连接器作为功能承载基础单元，主要功能是连接两个有源器件，实现信号的传输[6-11]。随着微系统行业技术的飞速发展，以及大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）的广泛应用，电路的性能水平得到极大提高，弹载、星载、机载、信息化单兵装备等有效载荷性能的提高与结构的变化要求电气互连技术必须相应地增强信息传输的可靠性、实时性、传输速率，并支撑武器装备的小型化、轻量化、智能化，以适应武器装备向高频、高速、宽带、高可靠发展的需求[12-17]。然而，现役互连技术显然已无法彻底满足各型号的需求，因此，迫切需要发展与之相适应的先进电气互连技术。值得注意的是，传统互连技术采用连接器及电缆进行信号传输，传输信号种类多，用电单元多，导致系统总体内部呈现“蜘蛛网”式的布局，不仅占空间，质量占比也显著提高，且传输损耗、信号干扰、信号完整性等问题无法避免，只能通过高压转换降低传输损耗。因此，为了实现系统的多功能化、微型化、轻量化等，拓展信号传输维度是突破制约现役互连技术发展瓶颈的关键途径之一。

垂直互连技术具有互连路径短、空间利用率高、高速等诸多优点，对各型号实现微型化、轻量化具有重要战略意义[18-21]。当前，以毛纽扣连接器为基础的垂直互连技术因其具有无需焊接、高/低频信号传输、易拆卸等优势得到国内外研究者的重点研究[22-25]。毛纽扣连接器属于弹性电连接器，按照一定工艺将细金属丝进行编织、缠绕后形成内部金属丝随机交错的结构，具有自身体积小、微波性能好、工作频段宽、易拆卸、低延迟等优点，现已被美国及部分欧洲发达国家应用于众多军事领域[12,26-28]。当前，我国有关毛纽扣连接器的研究较少，研究成果发表情况如图1所示，在中国知网中检索“毛纽扣”关键词，仅有少量研究。然而，美国及部分欧洲发达国家已将毛纽扣连接器应用于众多军事领域，技术封锁严重。因此，我国需积极进行毛纽扣垂直互连技术攻关，大幅度提高基础技术水平和产业化能力，以满足我国相关领域发展的迫切需求。

图1 毛纽扣连接器论文发表趋势

与传统连接器互连维度不同，毛纽扣具有垂直互连功能，可进一步提升互连维度，有利于推进各型号装备朝小型化、轻量化发展。文中综述了基于毛纽扣连接器的垂直互连技术的基本原理，以及影响毛纽扣性能及可靠性的服役环境，分析了近年来国内外在毛纽扣连接器领域取得的研究进展，并展望了毛纽扣连接器的发展方向，可为基于毛纽扣连接器的垂直互连技术的发展提供有益的参考和启示。

垂直互连技术可分为周边互连和面阵列互连。周边互连是利用引线或导电薄膜将分布在印制电路板周围的I/O端口连接起来，封装密度较小；
面阵列互连则利用焊料或插针将电路板上的端口连接起来，实现板间的垂直互连，封装密度高，有利于促进各型号装备朝小型化、轻量化发展[26,29]。然而，传统面阵列互连需通过焊接等方式完成，缺陷较多，如不易拆卸、抗震动性能差、装配工艺较复杂等。如图2所示，毛纽扣作为一种弹性电连接器，主要用于低矮化多层印制板（PCB）间垂直互连，其互连原理为：经过机械压合后将产生一定的弹性形变，同时提供一定的轴向正应力，进而可实现PCB板间的无焊连接，具有互连路径更短、低矮化、寿命长、抗机械震动性能强、微波性能好、工艺相对简单等优点[30-31]。

毛纽扣是按照一定工艺将细铜合金丝进行编织、缠绕后形成具有内部金属丝随机交错结构的连接器，如图3所示，故其波纹金属丝可分离出内部感应磁场，降低信号传输的路径长度和趋肤效应，在传输微波信号时，可等效成圆柱刚性体进行微波理论分析和仿真。毛纽扣连接器常用的合成材料有铍青铜合金丝（BeCu）、钼丝（Mo）、镍铬合金丝（NiCr）等[26]，不同材料所具有的性能也有所差异，如铍青铜具有较高的弹性极限、较好的耐磨性、良好的导电性等，钼丝和镍铬丝耐高温性能好，但导电性能差，故实际生产中应参考服役环境选用合适的材料。此外，毛纽扣依靠机械弹性贴片实现不同功能模块之间的垂直连接，无需焊接，具有良好的射频和直流传输性能，能够在不损坏及保持良好连接的同时，应对一些非常严重的振动，可以大大减少电缆的数量，从而实现系统体积更小、质量更好、维护更方便的目的。因此，毛纽扣连接器的应用越来越受到国内外研究者的关注，并在许多实际应用中取得了良好的效果[32]。相较于传统电连接器，毛纽扣具有诸多优点，如自身体积小、微波性能好、工作频段宽、易拆卸、低延迟，并且可有效抑制连接器内部信号的互感效应，减小信号传输的路径长度和高频信号的趋肤效应，在射频微波领域具有重要用途[1,31,33-36]。

图2 毛纽扣连接器垂直互连示意图

图3 毛纽扣连接器实物

毛纽扣的性能主要可分为机械性能、电学性能和环境性能3部分[37-42]。其中，机械性能主要指毛纽扣的抗压性能和接触机制，电学性能可归结为不同条件（如压缩量、温度、震动等）下的电阻特性。毛纽扣通过弹性连接实现互连，在施加应力时不可避免地发生压缩，因此，非常有必要研究材料的应力应变关系，建立应力-应变曲线，进而探究其抗压性能[26]。此外，毛纽扣的机械性能还受到金属丝间接触方式的影响。一般来说，可将金属丝之间的接触方式分为未接触、摩擦接触和挤压接触3个阶段。其中，金属丝之间没有相互作用力时为未接触阶段；
摩擦接触为金属丝之间已经处于相互接触状态且会发生相对位移；
挤压接触为金属丝之间相互接触且处于静止状态，无法发生相对位移。毛纽扣电学性能与电阻有关，而压缩量、温度冲击、随机震动强度均会影响其电阻特性，因此，有必要分别研究不同条件下的电阻，建立电阻与压缩量、温度、随机震动的关系曲线，分析毛纽扣的电学性能。毛纽扣连接器的环境性能主要表现为抗震动、耐温度冲击、耐盐雾、耐宇航环境能力。目前，毛纽扣连接器在我国已被应用于多个领域，但在宇航领域的应用仍处于相对落后阶段。基于不同等级服役环境的特殊性，要求宇航级电连接器除了应具备一般军用电连接器所具有的电气性能和机械性能外，还需具备耐原子氧、耐紫外辐射、耐结露、耐低气压、低磁性等性能。

2.1 材料性能对毛纽扣性能的影响

毛纽扣是由金属丝绕制而成的弹性电连接器，故金属丝的种类对其性能有着重要影响。吕立锋等[43]利用C17200铍铜丝、Mo丝和Ni80Cr20丝制备了3种毛纽扣连接器，如图4所示，探究了3种材料对毛纽扣连接器机械性能及电学性能的影响。结果表明，相较于Mo丝和Ni80Cr20丝所制备的毛纽扣连接器，在20次20%压缩后，基于C17200铍铜丝制备的毛纽扣连接器具有更优的回弹性能，回弹失效比例为1.1%，压缩力为1.6 N。此外，Ni80Cr20丝电导率较低，其制备的毛纽扣连接器接触电阻最大。因此，在制备毛纽扣连接器时，需综合考虑金属丝的弹性模量及导电能力等。此外，在特殊服役环境下，接触件的稳定性是决定毛纽扣可靠性的重要考察指标，为符合服役条件，通常需在接触件表面镀金。一般而言，镀金层越厚，孔隙率越低，更能保障镀层性能。然而，与常规接触件不同的是，过厚的镀金层会降低毛纽扣接触件的弹性性能，进而影响其互连性能。因此，能否准确测量毛纽扣接触件镀层厚度对其性能有着重要意义。

麻力等[44]对比分析了研磨制样金相法、库伦法和X射线荧光法3种常用镀层厚度测量方法对于毛纽扣接触件的适用性。选用国内常用毛纽扣接触件进行剖面研磨制样，由于镀金层在研磨过程中易延展，故在金层表面采取镀镍措施以起到保护镀金层的作用，并结合金相显微镜和扫描电子显微镜，提出了一种全新的毛纽扣接触件镀层厚度测试方法。

2.2 结构设计对毛纽扣性能的影响

电学性能是衡量毛纽扣连接器互连性能的重要指标之一。Zhang等[12]结合毛纽扣的实际形状及制造工艺，构建了3个毛纽扣电气模型，分别为中空圆柱形钢丝架结构、有序弯曲钢丝微元模型和无序弯曲钢丝的微元模型，如图5所示。利用HFSS软件对毛纽扣的电性能进行分析，并与实测毛纽扣的电性能数据进行对比，分别确定了3种模型电性能参数的准确性，为建立更准确的毛纽扣电性能模型提供了重要依据。

Huang等[30]从理论层面研究了毛纽扣连接器的力学本构模型。在毛纽扣结构的基础上，分析了金属丝的空间构型和接触方式，提出了基于简支梁结构的金属单折线段细观结构单元，推导了毛纽扣连接器在一定压缩载荷作用下的本构模型。模型中包含了金属丝的直径和弹性模量、毛纽扣的相对密度、折线段的长度和缠绕角度等基本参数，如式（1）所示。从模型中可以看出，当不变时，与`、、成正比，与0和成反比。研究毛纽扣参数对工艺设计具有重要的指导意义，为进一步研究毛纽扣连接器的力学特性和指导实际应用提供了理论依据。

图4 不同金属丝绕制而成的毛纽扣

图5 毛纽扣模型

式中：为应力张量；
为金属丝弹性模量；
为金属丝直径；
0为折线段长度；
为接触点到终点的距离；
`为毛纽扣连接器的相对密度；
为缠绕角度；
为应变张量。

2.3 温度冲击对毛纽扣性能的影响

在高、低温交替服役环境下，骤变的温度将对接触件外形造成重大影响，进而影响连接可靠性。柳明辉[45]采用CAITA V5软件对毛纽扣垂直互连结构进行了建模，如图6a、b所示，其中，毛纽扣直径为0.3 mm，长3 mm，BGA球和测试板上孔的直径分别为0.45、0.36 mm。由于毛纽扣和测试板热膨胀系数不同，高、低温冲击时将发生相对位移，故需分别测量毛纽扣和测试板的形变量。结果表明，在低温（‒55 ℃）和高温（85 ℃）条件下，毛纽扣的形变量分别为0.050 9、0.041 2 mm；
测试板的形变量分别为0.051 3、0.041 6 mm，如图6c—f所示。基于形变产生的对位偏差，对互连结构进行射频仿真并分析了其对射频传输性能的影响，最后结合仿真结果完成样件试制，充分验证了仿真结果的可靠性。

2.4 毛纽扣连接器的应用研究

Cianciolo等[46]采用毛纽扣连接器在2个垂直堆叠的印刷电路板上的匹配焊盘阵列之间实现了电接触。为了保证电接触的可靠性，其将待配对的电路板上的焊盘与固定在转接板上的毛纽扣相互对准，并将印刷电路板-插入器-电路板夹层挤压在一起（所有3个板和连接器外壳上的特征确保正确对准）。因此，不需要针脚穿透真空边界。毛纽扣有镀金铍铜线（Au/Becu），采取这种方法没有相应的磁信号（暴露在强磁场中后再次使用磁通门磁强计），且接触电阻随毛纽扣的相对压缩程度而变化。对于30 mil Au/Becu毛纽扣连接器，在压缩15%～20%的情况下，接触电阻为40～50 mΩ，相当于约0.1 lbs的作用力。此外，毛纽扣连接器尺寸便于更改，有助于定制二维图案排列。图7a为连接器剖面图，真空边界两侧的导线焊接到印刷电路板（“A”或“C”）外边缘的插座中。走线将每个印刷电路板（PCB）上的信号从导线插座带到一组通孔，这些通孔将信号带到电路板另一侧的焊盘阵列。图7b显示了印刷电路板“A”的两侧。安装在印刷电路板“A”和印刷电路板“C”上的插接板（图7c）具有一系列与相应焊盘阵列对齐的压力触点（即毛纽扣连接器）。组装完成后，电线、印刷电路板和插接板形成两个电缆组件，并被插入到印刷电路板“B”中，以跨越真空边界进行必要的电气连接，实现了在不干扰真空边界的情况下断开真空边界两侧信号的目标（见图7d）。

图6 毛纽扣与测试板高低温仿真分析

采用毛纽扣连接器实现连接通常有两种结构。一种结构是利用一种能够使两个相邻基板上的共面线路垂直互连的介质将3个毛纽扣连接在一起。其中，毛纽扣的中间部分用于信号传输，其余部分用于接地，毛纽扣置于介质中，作为同轴结构的内导体。另一种结构为同轴类型，其中心连接器是一个毛纽扣。Shi等[47]在同轴式的基础上，基于毛纽扣设计了一种超小型推入式连接器，由外导体、内导体、毛纽扣、介质材料和玻璃组成，其结构和实际产品如图8所示。毛纽扣连接器的使用应确保微波信号的完整性。基于HFSS软件，建立了三维毛纽扣传动仿真模型。在该模型中，微波信号的传输选择了共面波导传输线，共面波导结构中存在多种传播模式，如MSL模式、共面微带线（CPM）模式和缝隙线传播模式。这3种模式和高阶模式都是沿着传输线传播的，将导致微波传输性能的恶化。为了抑制不必要的传播模式，采用高密度阵列通孔连接上下地。类似于与绝缘子垂直互连的原理，毛纽扣相当于一个电感，还需要在共面波导线末端设置补偿环。此外，毛纽扣和共面波导之间的连接必须确保对准精度。为了保证良好的微波连接，毛纽扣的压缩余量应考虑为20%左右。

图7 毛纽扣连接器在板间的应用

图8 基于毛纽扣的超小型推入式连接器

毛纽扣连接器可在无焊接条件下实现印制板的垂直互连，具有传输路径短、互连密度高、微波特性极佳、易拆卸等优点，有利于促进各型号装备朝着小型化、轻量化、高集成化、多功能化趋势发展。本文重点综述了毛纽扣连接器的基本性能，以及不同服役环境对毛纽扣连接器性能及可靠性的影响，以期为发展基于毛纽扣连接器的垂直互连技术提供有益的参考和启示。

毛纽扣连接器具有诸多优点，对于各型号装备朝小型化、轻量化发展具有重大战略意义。目前，相较于美国及欧洲部分发达国家，我国在毛纽扣连接器领域的研究较少，还无法大量应用于各型号装备，仍需进一步加速推进关键技术攻关。同时，苛刻的服役环境对毛纽扣连接器的各方面性能都提出了高要求。需要指出的是，在接下来的研究中，还需重点开展毛纽扣连接器在宇航领域的研究，如人造卫星、空间探测器、载人飞船、货运飞船、空间站等，必须保证其在真空、温度交变、辐射及原子氧等苛刻复杂的服役环境下的可靠性。此外，需进一步改进毛纽扣连接器设计及制造工艺，开展支持智能化、自适应可插拔模块在轨组装的智能机电互连技术等需求的探索，促使连接智能化、集成化、多维化。

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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

中央军委装备发展部全军共用信息系统装备预研（专用技术）项目（31512040302-3）；
航天江南集团有限公司科技委创新课题(G-A318-CG-2022-0065)；
重庆科技学院科研项目经费（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)

刘贲（1986—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天电子元器件研发与检测。

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

何辉超（1985—），男，博士，副教授，主要研究方向为连接器先进制造。

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

刘贲, 李江, 乔正阳等. 基于毛纽扣的垂直互连技术研究进展[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.

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