一种多层基板间高可靠弹性互联结构及设计方法与流程

1.本发明涉及电子设备组装技术领域，更具体地讲，涉及一种多层基板间高可靠弹性互联结构及设计方法。


背景技术：

2.随着雷达、通信等电子设备性能及安装部署要求的不断提高，集成化和轻薄化已成为其发展趋势，瓦片式集成方式正逐步取代砖块式集成方式在电子设备中得到广泛应用。瓦片式集成方式具体为多层电路板在垂直方向上堆叠排布，每层电路板上密集布置各种电子元器件，电路板之间通过盲插连接器实现电气互联。
3.其中的射频电路部分因为有很高的环境适应性要求，往往设计成射频组件形式，射频组件以盒体作为安装基座，内部由2层或以上的电路板堆叠而成，最外层的电路板采用陶瓷基板，实现射频组件的气密封装。另外，随着功能和功率的提升，各电路板之间的接口i/o接口数量显著增加，射频组件内部各电路板之间，射频组件与外部射频母板之间的电互联多采用集成密度高的毛纽扣等弹性连接器。
4.在上述互联结构中，毛纽扣的顶针在弹性力作用下与陶瓷基板的焊盘紧密接触实现电导通。为了防止电磁泄露和串扰，毛纽扣的壳体与陶瓷基板要求尽可能贴近，最好完全贴合。
5.由于上述互联结构在垂直方向上层数较多，结构较复杂，且组装过程中的焊接工艺尺寸难控制等原因，垂直方向上的尺寸公差容易累积，毛纽扣的壳体与陶瓷基板之间的间隙难以精确控制，容易导致毛纽扣的壳体压到陶瓷基板上，产生硬接触。又由于陶瓷基板为脆性材料，压力过大容易导致其开裂。更进一步，当环境温度在较大范围变化时，由于上述互联结构涉及的陶瓷基板、金属壳体等材料的热膨胀系数(cte)差异较大，更容易导致毛纽扣的壳体与陶瓷基板之间的间隙发生变化，产生硬接触，从而使陶瓷基板的应力过大，发生损坏。上述问题在实际产品中频繁发生，严重影响产品的可靠性，用于解决瓦片式电子设备中陶瓷基板与毛纽扣高可靠互联的结构及方法鲜有报道。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是，提供一种多层基板间高可靠弹性互联结构及设计方法，通过合理的结构设计，关键尺寸公差设计，工艺过程控制等方式，在保证电互联性能不变的情况下，避免上层基板因应力过大而出现开裂等损坏，显著提高电子设备的可靠性；
7.本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
8.一种多层基板间高可靠弹性互联结构，包括依次层叠设置在射频组件、安装板、射频母板、以及安装在安装板内且两端分别与射频母板和射频组件连接的外置毛纽扣；
9.所述外置毛纽扣包括截面呈t型结构且大端设置在靠近射频组件一侧的壳体、安装在壳体内的内导体、以及安装在壳体上的凸起结构；所述内导体中的靠近射频组件一端的顶针穿过凸起结构与射频组件连接。
10.在一些可能的实施方式中，
11.所述射频组件包括设置有安装槽的盒体、安装在盒体内的下层基板和上层基板、安装在下层基板与上层基板之间的安装框、安装在安装框内且两端分别与上层基板和下层基板连接的内置毛纽扣、以及安装在盒体内且位于上层基板远离下层基板一侧的盖板。
12.在一些可能的实施方式中，
13.在所述盖板上设置有通腔，所述凸起结构位于通腔；所述安装槽包括用于安装盖板的凹腔、与凹腔连接且用于下层基板、安装框、上层基板的腔室；所述凹腔与腔室之间形成台阶面，所述凹腔的尺寸大于腔室的尺寸；所述盖板安装在凹腔内且与台阶面、安装板之间分别形成间隙。
14.在一些可能的实施方式中，
15.在所述安装框内设置有支撑凸台，所述支撑凸台安装在上层基板上且位于外置毛纽扣的正上方。
16.在一些可能的实施方式中，
17.在所述上层基板上设置有与顶针连接的对外焊盘、与内置毛纽扣连接的对内焊盘；所述对外焊盘位于通腔内；在所述安装板上设置有用于安装外置毛纽扣的阶梯孔；所述阶梯孔与通腔连通且同轴设置；在所述射频母板上设置与外置毛纽扣连接的母板焊盘，所述母板焊盘位于阶梯孔内。
18.在一些可能的实施方式中，
19.所述内置毛纽扣、外置毛纽扣的顶针的端部呈球形结构；在所述内置毛纽扣、外置毛纽扣中其内导体的压缩量分别为1mm-1.4mm。
20.在一些可能的实施方式中，
21.所述壳体靠近上层基板的一侧与上层基板之间存在间隙，该间隙在0.1mm-0.2mm之间；所述壳体靠近射频母板的一侧与射频母板之间存在间隙，该间隙在0-0.2mm之间；所述凸起结构与通腔之间存在间隙，该间隙在0.15mm以上。
22.在一些可能的实施方式中，
23.所述阶梯孔的大端设置在靠近盖板的一侧，所述大端的底面安装在阶梯孔的阶梯面上。
24.一种多层基板间高可靠弹性互联结构的设计方法，具体包括以下步骤：
25.步骤s1；建立尺寸链a和尺寸链b；
26.其中，所述外置毛纽扣的壳体上端面到上层基板的间隙为a0，a0＝0.1mm-0.2mm；所述外置毛纽扣的壳体下端面到射频母板的间隙为b0＝0-0.2mm；
27.步骤s2:建立加工基准，保证安装板与壳体的尺寸、盖板与台阶面的间隙；
28.其中，以安装板的上表面作为加工基准，通过机加工艺保证安装板的尺寸；
29.以壳体上端面作为基准，通过机加和装配工艺保证外置毛纽扣的壳体尺寸；
30.在盖板与盒体进行封焊时，采用夹具对盖板进行限位，保证盖板与台阶面的间隙；
31.步骤s3:按照正态分布计算尺寸链a和尺寸链b。
32.在一些可能的实施方式中，所述步骤s3具体包括以下步骤：
33.确定外置毛纽扣相关尺寸的公差；
34.确定盖板与上层基板之间的焊料厚度a6的公差；
35.确定凹腔深度a5的公差，同时要保证盖板不超出盒体端面；
36.调整阶梯孔的大端的深度a1的公差，直到a0的公差在0.1mm-0.2mm之间；
37.调整安装板厚度b4的公差，直到b0的公差在0-0.2mm之间。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果：
39.本发明能够满足电磁屏蔽，电互联性能和上层基板的力学性能要求；
40.本发明通过对易碎上层基板的应力进行严格控制，避免其损坏；
41.本发明还能适应高低温冲击、振动冲击等各种恶劣环境。
附图说明
42.图1为本发明的结构示意图；
43.图2为本发明中射频组件的连接关系示意图；
44.图3为本发明中外置毛纽扣的结构示意图；
45.图4为本发明中外置毛纽扣与上层基板连接的结构示意图；
46.图5为本发明中上层基板上的对外焊盘的结构示意图；
47.图6为本发明中尺寸链a、尺寸链b的示意图；
48.图7为本发明中外置毛纽扣与上层基板的尺寸链示意图；
49.图8为本发明中外置毛纽扣与射频母板的尺寸链示意图；
50.其中：1、安装板；11、阶梯孔；2、射频组件；21、盒体；22、下层基板；23、上层基板；231、对外焊盘；232、对内焊盘；24、内置毛纽扣；25、安装框；251、支撑凸台；26、盖板；261、通腔；3、射频母板；31、母板焊盘；4、外置毛纽扣；41、顶针；42、屏蔽环；43、壳体；431、凸起结构。
具体实施方式
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本技术所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本技术实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。在本技术实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
52.下面对本发明进行详细说明。
53.如图1-图8所示：
54.一种多层基板间高可靠弹性互联结构，应用于射频组件2的内部各层基板之间，以及射频组件2与外部射频母板3之间的电互联；包括依次层叠设置在射频组件2、安装板1、射频母板3、以及安装在安装板1内且两端分别与射频母板3和射频组件2连接的外置毛纽扣4；
55.所述外置毛纽扣4包括截面呈t型结构且大端设置在靠近射频组件2一侧的壳体
43、安装在壳体43内的内导体、以及安装在壳体43上的凸起结构431；所述内导体中的靠近射频组件2一端的顶针41穿过凸起结构431与射频组件2连接。
56.上层基板23通过安装于安装框25上的内置毛纽扣24与下层基板22实现电互联，上层基板23通过安装于安装板1上的外置毛纽扣4与射频母板3实现电互联。
57.在一些可能的实施方式中，
58.所述射频组件2包括设置有安装槽的盒体、安装在盒体内的下层基板22和上层基板23、安装在下层基板22与上层基板23之间的安装框25、安装在安装框25内且两端分别与上层基板23和下层基板22连接的内置毛纽扣24、以及安装在盒体内且位于上层基板23远离下层基板22一侧的盖板26。
59.进一步的，上层基板23为ltcc基板，下层基板22为有机基板；
60.在装配时，以所述安装板1为装配基准，首先外置毛纽扣4装于安装板1的阶梯孔11内，然后将射频母板3装于安装板1的下表面，最后射频组件2装于安装板1的上表面。外置毛纽扣4的顶针41压缩后与上层基板23上的对外焊盘231紧密接触，且与射频母板3上的焊盘紧密接触。
61.在一些可能的实施方式中，
62.在所述盖板26上设置有通腔261，所述凸起结构431位于通腔261；所述安装槽包括用于安装盖板26的凹腔、与凹腔连接且用于下层基板22、安装框25、上层基板23的腔室；所述凹腔与腔室之间形成台阶面，所述凹腔的尺寸大于腔室的尺寸；所述盖板26安装在凹腔内且与台阶面、安装板1之间分别形成间隙。
63.在一些可能的实施方式中，
64.在所述安装框25内设置有支撑凸台251，所述支撑凸台251安装在上层基板23上且位于外置毛纽扣4的正上方；如图1、图2所示，支撑凸台251位于外置毛纽扣4的正上方，其能够对上层基板23起支撑作用，避免上层基板23受到毛纽扣施加的压力后产生过大的应力。
65.在一些可能的实施方式中，
66.在所述上层基板23上设置有与顶针41连接的对外焊盘231、与内置毛纽扣24连接的对内焊盘232；所述对外焊盘231位于通腔261内；在所述安装板1上设置有用于安装外置毛纽扣4的阶梯孔11；所述阶梯孔11与通腔261连通且同轴设置；在所述射频母板3上设置与外置毛纽扣4连接的母板焊盘31，所述母板焊盘31位于阶梯孔11内。
67.在一些可能的实施方式中，
68.所述内置毛纽扣24、外置毛纽扣4的顶针41的端部呈球形结构；在所述内置毛纽扣24、外置毛纽扣4中其内导体的压缩量分别为1mm-1.4mm；通过该压缩两的设置，使得单侧顶针41的压缩量为0.5mm-0.7mm，进而适应垂直方向尺寸波动的影响，保证可靠接触和量产时的互换性；球形结构的设置，使得当实际焊盘(对外焊盘231、母板焊盘31、对内焊盘232)不平整或者对位有偏差时，依然能够保证良好接触。
69.在一些可能的实施方式中，
70.所述壳体43靠近上层基板23的一侧与上层基板23之间存在间隙a0，该间隙a0在0.1mm-0.2mm之间，从而避免外置毛纽扣4的壳体43与上层基板23硬接触；所述壳体43靠近射频母板3的一侧与射频母板3之间存在间隙bo，该间隙bo在0-0.2mm之间；所述凸起结构431与通腔261之间存在间隙，该间隙在0.15mm以上，通过该间隙的设置避免因所述壳体43
的端面压到上层基板23与盖板26焊接后溢出的焊料上，导致上层基板23受到过大的压力；
71.在一些可能的实施方式中，
72.所述阶梯孔11的大端设置在靠近盖板26的一侧，所述大端的底面安装在阶梯孔的阶梯面上。
73.在一些可能的实施方式中，在传输射频信号和高频信号的顶针41外围设置屏蔽结构，当外置毛纽扣4压缩时，屏蔽结构一起被压缩，使屏蔽结构与焊盘始终接触，避免因为间隙导致的电磁泄露和串扰。
74.为了控制外置毛纽扣4和上层基板23之间的间隙ao，需要选取合适的加工和装配基准，并且严格控制各部件关键尺寸的公差，具体方法描述如下：
75.(1)如图6-图8所示，建立尺寸链a和尺寸链b；优先保证外置毛纽扣4的壳体43上端面到上层基板23的间隙a0控制在0.1-0.2mm之间，同时控制外置毛纽扣4的壳体43下端面到射频母板3的间隙b0控制在0-0.2mm之间。
76.(2)安装板1的尺寸，通过机加工艺保证，以安装板1的上表面作为加工基准；其中a1＝b3,两者为阶梯孔11的大端的深度，b4为安装板1的厚度；
77.外置毛纽扣4的壳体43尺寸，通过机加和装配工艺保证，以所述壳体43上端面作为基准；其中，a2＝b2，两者为外置毛纽扣4中壳体43大端的底部与壳体43上表面之间的尺寸，b1为外置毛纽扣4中壳体43下表面与壳体43上表面之间的尺寸；
78.a5为凹腔的深度，通过机加工艺保证；a7为盖板26与台阶面之间所形成的间隙，在所述盖板26与所述盒体21进行激光封焊时，需要利用夹具对盖板26进行限位，保证盖板26尽可能紧贴盒体21上的凹腔台阶面；a6为盖板26与上层基板23之间的焊料厚度，通过控制焊料厚度和焊接工艺保证。
79.这里所描述的夹具用于对于盖板26与盒体的相对位置进行限位；
80.(3)a0和b0受到的影响因素较多，按照正态分布计算尺寸链；
81.进一步，a)确定外置毛纽扣4相关尺寸的公差；
82.b)根据实验统计数据确定a6的公差；
83.c)根据实验统计数据确定a5的公差，同时要保证盖板26不超出盒体21端面；
84.d)在机加工艺可实现的条件下，调整a1的公差，直到a0的公差被包含于0.1-0.2mm；
85.e)在机加工艺可实现的条件下，调整b4的公差，直到b0的公差被包含于0-0.2mm。
86.本发明能够满足电磁屏蔽，电互联性能和上层基板23的力学性能要求，尤其可以对易碎上层基板23的应力进行严格控制，避免其损坏；还能适应高低温冲击、振动冲击等各种恶劣环境；
87.应用本发明之前，某瓦片式电子设备会出现大面积的上层基板23力学损坏，应用本发明后，近1000件产品中未出现1件上层基板23力学损坏的问题，且所有产品电气性能优良，可靠性得到大幅提升。
88.实施例1：
89.本实施例提供了一种多层基板间高可靠弹性互联结构，应用于射频组件的内部各层基板之间，以及射频组件与外部射频母板之间的电互联，包括射频组件2、安装板1、射频母板3和外置毛纽扣4；
90.射频组件2包括封装盒体21、下层基板22、上层基板23、内置毛纽扣24、安装框25和盖板26。其中，所述上层基板23为ltcc基板，所述射频母板3为有机基板。
91.所述上层基板23通过安装于所述安装框25上的内置毛纽扣24与所述下层基板22实现电互联，所述上层基板23通过安装于安装板1上的外置毛纽扣4与所述射频母板3实现电互联。
92.如图1、图2、图6所示，以所述安装板1为装配基准，首先将外置毛纽扣4装于安装板1的阶梯孔11内，然后将射频母板3装于安装板1的下表面，最后将射频组件2装于安装板1的上表面；
93.外置毛纽扣4靠近射频组件2一端的的顶针41压缩后与上层基板23上的对外焊盘231紧密接触，且外置毛纽扣4靠近射频母板3一端的的顶针41压缩后与射频母板3上的母板焊盘31紧密接触；
94.进一步的，外置毛纽扣4的压缩比为15％，毛纽扣单根顶针41的压缩力为0.5n；外置毛纽扣4的顶针数量为28根，其中四根传输射频信号，总压缩力为14n。在所述射频组件2的安装框25上设置支撑凸台251，所述安装框25的材料为铝合金6061。
95.通过仿真可知，在保证外置毛纽扣4的壳体43的上端面(用于安装凸起结构431的面)与上层基板23不接触的情况下，上层基板23的最大变形为0.03mm，满足ltcc的强度要求。
96.所述外置毛纽扣4的结构如图3所示，壳体43设计成“凸”字形结构。所述壳体43的凸起结构431最大长宽尺寸分别为16.3mm*5mm；凸起结构431位于盖板26的通腔261内，所述通腔261的最大长宽尺寸分别为16.7mm*5.4mm，单边间隙为0.2mm。
97.所述内置毛纽扣24和所述外置毛纽扣4的顶针端部均设计成球形结构，外置毛纽扣4的单边压缩量为0.55mm；
98.如图6-图8所示，本实施例中，各关键尺寸公差设计为：a1/b3为(+0.06mm/+0.05mm)，a2/b2为(+0.02mm/-0.01mm)，a5为(+0.03mm/0mm)，a6为(+0.1mm/+0.05mm)，a7为(+0.03mm/0mm)，得到a0的尺寸范围为0.089mm-0.161mm，从而可以保证外置毛纽扣4的壳体43上端面与上层基板23之间留有合理的间隙，避免了所述壳体43与上层基板23的硬接触，也避免了因为间隙过大导致的毛纽扣顶针之间的电磁泄露和串扰；
99.为了进一步防止电磁泄露，在每根传递射频信号的顶针41的外围设置屏蔽环42，形成封闭的电磁屏蔽结构。
100.进一步，设置以下尺寸公差：b1位(0mm/-0.03mm)，b4为(+0.1mm/+0.07mm)，得到b0的尺寸范围为0.024mm-0.076mm，同样保证了外置毛纽扣4的壳体43下端面与射频母板3之间留有合适的间隙。
101.按照本实施例设计的产品已验证近1000件，未出现1件基板损坏，或者电气性能恶化的问题，电互联可靠性非常高。
102.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

技术特征：
1.一种多层基板间高可靠弹性互联结构，其特征在于，包括依次层叠设置在射频组件、安装板、射频母板、以及安装在安装板内且两端分别与射频母板和射频组件连接的外置毛纽扣；所述外置毛纽扣包括截面呈t型结构且大端设置在靠近射频组件一侧的壳体、安装在壳体内的内导体、以及安装在壳体上的凸起结构；所述内导体中的靠近射频组件一端的顶针穿过凸起结构与射频组件连接。2.根据权利要求1所述的一种多层基板间高可靠弹性互联结构，其特征在于，所述射频组件包括设置有安装槽的盒体、安装在盒体内的下层基板和上层基板、安装在下层基板与上层基板之间的安装框、安装在安装框内且两端分别与上层基板和下层基板连接的内置毛纽扣、以及安装在盒体内且位于上层基板远离下层基板一侧的盖板。3.根据权利要求2所述的一种多层基板间高可靠弹性互联结构，其特征在于，在所述盖板上设置有通腔，所述凸起结构位于通腔；所述安装槽包括用于安装盖板的凹腔、与凹腔连接且用于下层基板、安装框、上层基板的腔室；所述凹腔与腔室之间形成台阶面，所述凹腔的尺寸大于腔室的尺寸；所述盖板安装在凹腔内且与台阶面、安装板之间分别形成间隙。4.根据权利要求2所述的一种多层基板间高可靠弹性互联结构，其特征在于，在所述安装框内设置有支撑凸台，所述支撑凸台安装在上层基板上且位于外置毛纽扣的正上方。5.根据权利要求2所述的一种多层基板间高可靠弹性互联结构，其特征在于，在所述上层基板上设置有与顶针连接的对外焊盘、与内置毛纽扣连接的对内焊盘；所述对外焊盘位于通腔内；在所述安装板上设置有用于安装外置毛纽扣的阶梯孔；所述阶梯孔与通腔连通且同轴设置；在所述射频母板上设置与外置毛纽扣连接的母板焊盘，所述母板焊盘位于阶梯孔内。6.根据权利要求5所述的一种多层基板间高可靠弹性互联结构及设计方法，其特征在于，所述内置毛纽扣、外置毛纽扣的顶针的端部呈球形结构；在所述内置毛纽扣、外置毛纽扣中其内导体的压缩量分别为1mm-1.4mm。7.根据权利要求2所述的一种多层基板间高可靠弹性互联结构，其特征在于，所述壳体靠近上层基板的一侧与上层基板之间存在间隙，该间隙在0.1mm-0.2mm之间；所述壳体靠近射频母板的一侧与射频母板之间存在间隙，该间隙在0-0.2mm之间；所述凸起结构与通腔之间存在间隙，该间隙在0.15mm以上。8.根据权利要求5所述的一种多层基板间高可靠弹性互联结构，其特征在于，所述阶梯孔的大端设置在靠近盖板的一侧，所述大端的底面安装在阶梯孔的阶梯面上。9.根据权利要求1-8任一项所述的一种多层基板间高可靠弹性互联结构的设计方法，其特征在于，步骤s1；建立尺寸链a和尺寸链b；其中，所述外置毛纽扣的壳体上端面到上层基板的间隙为a0，a0＝0.1mm-0.2mm；所述外置毛纽扣的壳体下端面到射频母板的间隙为b0＝0-0.2mm；步骤s2:建立加工基准，保证安装板与壳体的尺寸、盖板与台阶面的间隙；其中，以安装板的上表面作为加工基准，通过机加工艺保证安装板的尺寸；以壳体上端面作为基准，通过机加和装配工艺保证外置毛纽扣的壳体尺寸；在盖板与盒体进行封焊时，采用夹具对盖板进行限位，保证盖板与台阶面的间隙；
步骤s3:按照正态分布计算尺寸链a和尺寸链b。10.根据权利要求9所述的一种多层基板间高可靠弹性互联结构的设计方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括以下步骤：确定外置毛纽扣相关尺寸的公差；确定盖板与上层基板之间的焊料厚度a6的公差；确定凹腔深度a5的公差，同时要保证盖板不超出盒体端面；调整阶梯孔的大端的深度a1的公差，直到a0的公差在0.1mm-0.2mm之间；调整安装板厚度b4的公差，直到b0的公差在0-0.2mm之间。

技术总结
本发明涉及电子设备组装技术领域，具体公开了一种多层基板间高可靠弹性互联结构及设计方法；其中多层基板间高可靠弹性互联结构，包括依次层叠设置在射频组件、安装板、射频母板、以及安装在安装板内且两端分别与射频母板和射频组件连接的外置毛纽扣；所述外置毛纽扣包括截面呈T型结构且大端设置在靠近射频组件一侧的壳体、安装在壳体内的内导体、以及安装在壳体上的凸起结构；所述内导体中的靠近射频组件一端的顶针穿过凸起结构与射频组件连接。本发明通过合理的结构设计，关键尺寸公差设计，工艺过程控制等方式，在保证电互联性能不变的情况下，避免上层基板因应力过大而出现开裂等损坏，显著提高电子设备的可靠性。显著提高电子设备的可靠性。显著提高电子设备的可靠性。


技术研发人员：陈显才 张正鸿 杨非 常义宽 余雷 景飞 钟凯超 尹本浩
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十九研究所
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/9/7