本文展示了一个物联网边缘平台，其中实现了所需的物联网节点，选择和连接多个单功能印刷电路板 (PCB)，例如传感器、微处理器和带有各向异性导电橡胶 (ACR) 连接器的电源单元。 PCB被称为“叶PCB”，它们的尺寸通常为2 cm x 2 cm。使用小型橡胶连接器来连接这些PCB，因此无需焊接，并且实现了可拆卸和可更换的结构，以实现物联网节点的可定制性。同时，还开发了一种导线连接机制，用于连接叶PCB和外部设备(如电机和传感器)之间的导线。 它比传统接线端子小。为了研究所提出的连接方案的重要性能，我们进行了ACR连接器的温度循环测试和电线连接机制的保持强度测试。

关键词：物联网边缘平台、各向异性导电橡胶连接器、线连接机制、万亿节点引擎。

一、简介

预计到2030年，全球将有1万亿个物联网(IoT)节点投入使用。不仅有提供给行业工程师的物联网设备，还有提供给个人的物联网设备。物联网设备的开发平台或系统至关重要，个人可以在其中体现他们的想法，并轻松创建他们的物联网原型设备。此外，物联网传感器节点需要可定制性以及小尺寸和低功耗运行，因为根据应用需要各种功能。为了应对这种多样性，平台应该支持物联网节点的可定制性。

我们研究了一个可轻松实现可定制性的平台，在该平台上，通过选择和连接多个单功能印刷电路板 (PCB)，例如传感器、微处理器和电源单元，可以实现所需的物联网设备。

我们为每个特定的LSI准备这些PCB。 PCB被称为“叶PCB”，它们的尺寸通常为2 cm x 2 cm。为了制造紧凑的电子设备，需要高效堆叠PCB。该方案的主要障碍是PCB如何相互连接。

虽然通常使用微型连接器来堆叠两块板，但是当两块以上的板堆叠连接时，连接变得不稳定并且需要拧紧。此外，如果同时使用微型连接器和螺钉，则可能会由于过度的应力而产生焊料裂纹。

因此，我们将各向异性导电橡胶(ACR)连接器作为PCB之间的新型连接技术，或等效地作为电路块之间的新型连接技术。连接器由硅橡胶和许多垂直嵌入硅橡胶中的微小金属销组成。销钉长度约为2.2 mm，几乎与橡胶高度相同，销钉直径为30 µm，引脚以50 µm的间距对齐。

我们设计了焊盘间距约为1 mm的2行配置29引脚连接结构。所需要的只是在叶PCB上定义焊盘布局。PCB的正反面焊盘布局相同，对应的焊盘通过通孔连接。两块PCB焊盘之间的电连接是通过在PCB之间设置橡胶连接器来实现的。此外，还提供了一个支持橡胶连接器的塑料支架，以便每个人都可以像玩积木玩具一样轻松地堆叠PCB和连接器。支架有挂钩可将其自身连接到 PCB。连接器尺寸为13 mm (L) x 2 mm (W)，PCB和连接器堆叠并拧紧后高度为2 mm。

该连接技术具有无需焊接、可在厂外现场实现可拆卸、可更换结构的特点。尽管非工程师无法进行焊接，但每个人都可以像玩积木玩具一样组装物联网设备。所提出的技术没有公母连接器相互配合的结构，并且能够实现低剖面设备。而且，我们生产PCB时，橡胶连接器不需要在手，以后可以连接。这可以减少原型制作的交付时间。我们将上述平台称为“万亿节点引擎”。

本文第二部分介绍了万亿节点引擎的概念。第三部分演示了如何使用橡胶连接器、塑料支架、螺母和螺钉组装物联网模块。在第四部分，我们开发了在每个PCB 使用两个连接器的58引脚连接结构，并实现了高性能32位微控制器单元(MCU)叶PCB。橡胶连接器的性能在第五部分进行研究。第六部分演示了一种电线连接机制。第七节专门讨论结论。

二、万亿节点引擎的概念

物联网节点有望快速渗透，未来物联网市场图如图1所示。外围区域表示物联网市场扩张。不仅是行业工程师提供的物联网设备，还有个人和创客提供的物联网设备，这些人代表了基于技术的DIY延伸，是物联网市场扩张所必需的。因此，一个平台或系统至关重要，个人和创客可以在其中体现他们的想法并轻松创建他们的物联网原型设备。

图 1. 物联网市场的未来。

物联网节点通常包含四个电路块，例如数字电路块、模拟电路块、电源块和无线电路块，如图2所示。虽然数字电路块可能使用通用微处理器LSI来实现，其他电路块可能会产生各种电路。例如，模拟电路块应处理传感器或扬声器或电机，而无线电路块应处理蓝牙®或 Wi-Fi 或LoRa或其他各种无线通信标准。如果我们尝试创建包含特定模拟和无线以及电源电路块的专用LSI，则需要大量时间和成本。因此，需要一种将多个PCB与每个特定LSI结合起来实现所需IoT节点的方案。

图2. 典型物联网节点的电气结构。

图3显示了基于我们的万亿节点引擎平台组装四片PCB后的IoT节点模块示例。该平台提供了几个特定模块作为叶PCB，如图4所示。

图3.由四片PCB组成的拟议模块的照片。

图 4. 提议的叶 PCB 样本。

三、橡胶连接器和叶PCB

本节演示了如何使用橡胶连接器将叶PCB相互连接的方式。图5显示了橡胶连接器和叶状 PCB。在我们提出的连接方案中，叶PCB的限制仅在于其上的焊盘布局。由焊盘组成的总线区域被限制在图5中矩形指定的20毫米× 5.5毫米。叶PCB通常为20毫米× 20毫米，但如果遵守总线规范，则可以是任何尺寸。

图5. 叶PCB和橡胶连接器。

PCB的正反面焊盘布局相同，对应的焊盘通过通孔连接。堆叠PCB之间的电气连接是通过在它们之间设置橡胶连接器来实现的。叶PCB之间通过名为Leafony总线的29引脚总线进行电子通信。使用橡胶连接器、支架、螺母和螺钉组装物联网模块的方式如图 6 所示。

(1) 设计了一个支撑橡胶连接器的塑料支架。一个橡胶连接器设置在支架内，并由支架的六个点支撑。

(2) 包含橡胶连接器的支架具有挂钩，可将其自身连接到 PCB。它有其他挂钩可以将自身连接到另一个支架上，以便可以轻松堆叠叶状 PCB 和支架，就像玩积木玩具一样。

(3) 将需要的叶子PCB叠好后，拧紧。压接叶片PCB和橡胶连接器，电气连接变得更牢固。多层PCB之间的电气连接是通过多层橡胶连接器实现的。

(4) 我们库存和交付已安装 ACR 连接器和支架的叶状 PCB。

图 6. 叶PCB和橡胶连接器的组装。

橡胶连接器的放大俯视图如图7所示。连接器由硅橡胶和许多垂直嵌入硅橡胶中的微小金属销组成。 销钉长度约为 2.2 mm，几乎与橡胶高度相同，销钉直径为 30 µm。 引脚以 50 µm 的间距对齐，比焊盘宽度小 1/10。

图 7. 橡胶连接器的照片。

四、扩展32位 MCU叶PCB的引脚数量

我们开发了在每个 PCB 上使用两个连接器的 58 引脚连接结构，并实现了高性能 32 位微控制器单元 (MCU) 叶 PCB。

传统的8位MCU叶PCB安装Atmel AVR微处理器Atmega328P，其处理性能和闪存和SRAM的存储空间不足以实现所需的物联网节点。

因此，我们开发了32位MCU Leaf PCB，它安装了STMicroelectronics STM32微处理器 STM32L452。由于微处理器有64个引脚，因此58引脚连接结构很有用，我们可以在MCU叶PCB上容纳32个数字I/O引脚。

32位MCU叶PCB如图8 所示，其小尺寸为2 cm x 2.8 cm。MCU叶PCB与无线通信叶PCB一起可以实现高性能的物联网设备，例如支持人工智能(AI)应用。

图 8. 具有58引脚总线连接的32位MCU叶PCB。

我们开发了使用两个橡胶连接器和支架以背对背方式连接的58引脚连接结构。我们可以在顶部连接两个模块，例如摄像头模块和传感器模块，并实现高封装密度，如图9和图10所示。

图 9. 提议的58引脚连接。

图10. 58引脚连接的组装。

五、ACR连接器的性能和可靠性

橡胶连接器的信号传输特性如图 11 所示。在高达500 MHz 的频率下，观察到从四层模块的第1片PCB到第4片PCB的损耗小于1 dB。该图显示了各种三个信号路径的三个数据。考虑到典型物联网节点中总线数据速率小于10 MHz的事实，500 MHz已经足够高了。

图 11. 信号丢失时连接器的性能。

图12还显示了叶PCB堆叠模块组装和拆卸100次时电阻的变化。连接器可以承受重新组装 100次。

我们还对连接器进行了环境测试：85°C、85%湿度1000小时高温高湿测试，-40°C低温1000小时测试。1个引脚对应的电阻如图13所示。可以看出连接电阻是稳定的。

图 12. 重新组装测试中连接器的性能。

图 13. (a) 高温高湿测试和 (b) 低温测试的测试结果。

我们已经仔细研究了温度对橡胶连接器的膨胀和收缩的影响。由于用于橡胶连接器的硅胶线膨胀系数约为400x10-6/°C，用于塑料支架的聚缩醛 (POM) 之一约为 85x10-6/°C，两者相差约5倍，因此橡胶连接器内部可能会出现应变。因此，温度循环测试也如图14所示进行。果如图15所示。

图 14. 温度循环测试中的温度变化模式。

我们研究了连接电阻对温度变化的依赖性，ΔT=TH-TL 和温度变化率，TR =ΔT /tr=ΔT /tf 。在图15(a) 中，TL是恒定的并且是-10°C。在图 15(b) 中，ΔT 也是常数，为 35 °C。我们发现连接电阻对ΔT的依赖性很小，当ΔT小于52.5°C时，电阻变化很小。对TR 的依赖被认为很小。

图 15. 温度循环测试的测试结果。(a) TR=17.5°C/h时的ΔT依赖性和(b)ΔT=35°C时的TR依赖性。

六、电线连接机构

除了29-pin/58-pin 总线连接之外，某些IoT设备还需要另一个连接。例如，电机控制器 PCB 和电机之间需要电线。我们为它们提出了一种新颖的连接技术，它具有无需焊接、实现可拆卸和可更换结构的特点。我们开发了一种电线连接机制来将电线固定到叶PCB。如图 16 所示，我们设计了塑料支架，用于将电线与叶状 PCB 上的专用焊盘对齐，以及橡胶垫和塑料盖用于将电线固定在焊盘上。它比传统接线端子小。线材连接结构支持多达6根线材，使用弹性橡胶垫的AWG24至28线粗

我们研究了电线和PCB之间的保持强度，如图17所示。由于弹性橡胶垫，所有6 根电线都获得了超过 3N 的拉力，即大约300gf。

图16. (a)电线连接机构，比传统接线端子小。 (b) 安装在电机驱动器叶PCB上的接线机构。

图 17. 电线连接机构的抗拉强度测试。

七、结论

我们提出了一个物联网边缘平台，在该平台上实现了所需的物联网节点，将多个单功能叶 PCB与各向异性导电橡胶 (ACR) 连接器相结合。展示了无需焊接且可拆卸和可更换结构的物联网平台，以实现物联网节点的可定制性。

我们提出了在每块PCB上使用两个连接器的58引脚总线连接结构，实现了高性能32位MCU叶PCB，其小尺寸为2 cm x 2.8 cm。还进行了温度循环试验，当温度变化ΔT小于52.5℃时，橡胶连接器的电阻变化很小。

我们还开发了一种导线连接机制，用于连接 PCB 和外部设备(如电机和传感器)之间的导线。我们研究了电线和 PCB 之间的保持强度，并获得了超过 3N 的拉力。