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基于毛纽扣的垂直互连技术研究

点击:     发布时间: 2021-01-23 21:34

1 引言

现代民用电子设备、通讯系统、无人机和弹载载荷等精密的电子装备,对电子装备性能要求大幅提高,正在向小型化、轻量化、高集成化、多功能、高性能、低成本化的趋势发展。而保证其优良电气性能和灵活机动性的关键是向高密度三维集成化方面设计。目前,传统平面混合集成密度已接近极限,要提高电子装备小型化、轻量化,异构组件以及系统集成工艺技术成为突破的关键。其中三维垂直互连集成技术是下一代实现设备小型化、轻量化的主流形态,可以将集成密度大幅度的提高。

射频微波系统的特点是信号通道多,射频性能要求高,同时其结构体积大,占用较多空间尺寸,当射频微波接口多达几十甚至上百时,其互联关系复杂、线缆盘绕,对系统的小型化和维护修理带来很大困难。刚性电缆、高频连接器常被用在多通道高频信号传输中,其中电缆连接、表贴焊接(SMT)等互连方式是其主要方法。但是,由于微波电路集成封装的特殊性,较普通SMT或BGA封装芯片相比其体积尺寸、结构质量均大。传统的焊接方式,易使芯片或基板表层的金属发生剥离,同时抗振性能变差。因此,传统的设计方法和互连方式难以满足新型电子设备小型化、高集成化、高性能、多功能的要求,必须创新设计思路和集成工艺。

2 毛纽扣三维垂直互连及结构设计

2.1 垂直互连

毛纽扣是一种新型的电连接器接触件,由极细的铜合金丝按照一定工艺随机缠绕后模压成型,如图1所示。

图1 毛纽扣实物图

图1 毛纽扣实物图   下载原图


毛纽扣无法单独使用,必须装入非金属绝缘体中才能实现芯片或印制板间的垂直互连。如图2所示,将毛纽扣装入绝缘体中,两侧印制板与绝缘体贴合后,利用毛纽扣自身的轴向弹性,使毛纽扣两端与印制板上的焊盘形成可靠的弹性接触。同时,由于毛纽扣特殊的结构,成倍地增加了毛纽扣的端面接触点,大大弱化微波信号的趋肤效应。因此,毛纽扣是实现平行印制电路板之间可靠传输低频、射频、电流等类型电信号的无需焊接的结构。由于毛纽扣体积小,便于拆卸安装的特点,用此互连结构可以有效的提高立体组装效率,减少电缆使用,从而缩小系统的体积,后期也方便维护维修。国内外研究者青睐于其优良的性能,并在许多领域的电子装备中得到很好的应用。

图2 毛纽扣垂直互连示意图

图2 毛纽扣垂直互连示意图   下载原图


2.2 结构设计

为实现微波信号三维垂直互连,毛纽扣垂直互连结构是一个重要发展形式,其采用无焊连接。毛纽扣三维垂直互连结构一般形式有同轴线型和三线型,其结构简图分别如图3、图4所示。毛纽扣垂直传输模型,由毛纽扣、介电体、金属框架三部分从内向外依此组合而成,其介电体多由聚四氟乙烯(εr=2.94,tan=0.002)材料制成,金属框架起到支撑作用。

图3 同轴线型毛纽扣模型

图3 同轴线型毛纽扣模型   下载原图


图4 三线型毛纽扣结构

图4 三线型毛纽扣结构   下载原图


对于毛纽扣连接器同轴线型结构,毛钮扣作为信号和屏蔽导体,绝缘体作为介质材料,同时在毛纽扣安装孔上下设置空气槽,用于阻抗匹配。将毛钮扣装入绝缘体中,绝缘体嵌入到金属板中,毛纽扣装入金属板中,以此获得良好的屏蔽效果。毛纽扣与实心金属相比,其内部为很多个相对独立的小导体,因此大大降低了微波信号的趋肤效应。毛纽扣的三线结构,是由三个毛纽扣和一个绝缘体组成,再通过金属支撑体,实现上下电路信号的传输。挤压时,中间的毛纽扣可以实现良好的信号传输,两边的毛纽扣能够提供良好的接地连接。

本文基于毛纽扣的结构特点,来实现系统板间的无焊连接,对传统的互连结构作了一定的改进分析,建立了K波段的小型高密度的垂直互连结构。其具备高效的一体化组装集成特点,并通过良好的弹性,实现两侧基板间的信号互连,如图5所示。

图5 毛纽扣垂直互连结构模型

图5 毛纽扣垂直互连结构模型   下载原图


其主要由基板、绝缘件、毛纽扣组成,多段微小的毛纽扣同轴线型结构共同实现其信号传输功能,毛纽扣的弹性压缩来保证各部分的可靠接触。由于电子装备的升级换代,对毛纽扣的电气性能、环境性能提出更高的要求,必须不断地优化和改进毛纽扣的尺寸设计、加工工艺精度和工装精度等。

3 毛纽扣垂直互连结构仿真分析

毛纽扣由极细的金属丝随机缠绕后成型,只有极细的高弹性金属丝才能保证毛纽扣在受力压缩并保持良好的弹性,随机绕制的金属丝使得微波信号不易产生感应电磁场,并大大弱化了微波信号的趋肤效应,模型选用的毛纽扣材料为镀金铍青铜丝(Au/BeCu),直径为0.5 mm,高度为3 mm,研究发现,毛纽扣的接触电阻与其压缩应变呈现明显的非线性,如图6所示。

图6 毛纽扣的接触电阻与压缩变形量的曲线

图6 毛纽扣的接触电阻与压缩变形量的曲线   下载原图


从图6可看出,毛纽扣刚发生轴向压缩时,毛纽扣的接触电阻值骤然减小,当压缩应变约达到5%时,其电阻变化速率减缓,随后电阻值的变化量随压缩应变的增大而逐渐减小,当压缩应变约达到20%时,电阻值基本保持不变。因此,本文采用毛纽扣压缩应变量为20%

基板选择损耗较低的聚四氟乙烯 (εr=2.94,tan=0.002),可有效地减少高频微波信号在传输路径上的能量损失,提高信号通道间的电磁隔离。本模型测试仿真频率在K波段,频率较高(18~27 GHz),同时采用特殊叠成布局,用来保证信号传输不受信号过孔的多余尾端的影响。为达到与毛纽扣接触表面的平整度,对基板的信号过孔塞孔和电镀整平处理,保证与弹性探针表面的良好接触。对整个传输结构的仿真模型进行优化。绝缘件加工成同轴环结构,用于支撑固定毛纽扣。

目前微波射频连接器结构的电磁仿真大部分使用HFSS软件进行,强大的参数扫描功能可实现对关键参数的选择确定,本文对毛纽扣垂直互连结构模型进行仿真分析,通过在三维电磁仿真软件中的优化设计,得到以下的仿真结果,如图7所示,分别为插入损耗、反射系数、隔离度仿真曲线。仿真结果表明,该模型在测试K波段内,插入损耗小于-0.06 dB,反射系数小于-25 dB。

图7 毛纽扣垂直互连结构模型仿真结果

图7 毛纽扣垂直互连结构模型仿真结果   下载原图


4 测试验证

根据上述设计的毛纽扣三维传输模型,本文对毛纽扣垂直互连结构进行了样品制作与测试。影响模型制作的因素主要是:(1)由于毛纽扣垂直互连结构尺寸小,其工艺的工序较为复杂,每一道工序的控制都很关键;(2)为了抑制传输线上的寄生模式,通常采用高密度接地通孔;(3)必须有效控制基板的平整度,不然会增加表面辐射损耗,同时基板不平整也会引起互连不充分而导致断路。通过一系列的深入工艺研究,毛纽扣垂直互连结构模型被制作完成,如图8所示。

图8  毛纽扣垂直互连结构模型

图8 毛纽扣垂直互连结构模型   下载原图


通过基板进行高频信号与电源信号的传输互连,可以有效减少对高频电缆的使用。同时必须优化基板设计,来满足接口与基板内高频密集信号传输的低插损和高隔离要求。毛纽扣作为将板间信号传输的纽带,使信号经基板内的垂直过孔结构与基板上对应的接口对接,测试平台如图9所示。

图9 测试平台

图9 测试平台   下载原图


两组试验测试结果如图10所示,所测的试验数据与三维仿真结果相比,插入损耗和回波损耗都略有恶化,其中所测的回波损耗小于-25 dB,插入损耗小于-0.92 dB(@26 GHz)。一方面是因为三维仿真模型为简化模型,过于理想化,与实际情况存在误差;另一方面,在试验过程中,在插拔测试接头的过程中会引起插入损耗。事实上毛纽扣在装入基板时,由于本身的误差或者基板表面工艺不合格,会出现一定的装配误差,这样的差异会带来插入损耗与反射系数的变化。

图1 0 测试结果

图1 0 测试结果   下载原图


5 结语