连接器手册  目　　　　录   第一章                   连接器总述                                                                                     第二章                   接触接口及接触过程                                                                     第三章                   接触镀层                                                                                         第四章                   接触弹片材料                                                                                 第五章                   连接器用工程热塑性材料                                                             第六章                   可分离式电连接器                                                                         第七章                   永久性连接概述                                                                             第八章                   电线与线缆                                                                                     第九章                   电线与线缆的机械式永久连接                                              第十章                   印刷电路板                                                                                     第十一章           至电路板的永久性连接                                                          第十二章           连接器的应用                                                                          第十三章           连接器的类型                                                                          第十四章           连接器／插座测试                                                                        第一章　连接器总述   　　这一章包括连接器技术的总述，在后面的章节之中将会提供各独立主题的详细背景数据。 　　定义一个连接器至少有两种方法：从功能上和从结构上。 　　第一种描述连接器的方法是就其应该达到和必须达到的要求而言的。这样的定义集中在连接器所应用的功能性和操作的环境。第二种描述连接器的方法集中在连接器本身，及它的设计方法和制造材料。由于连接器的应用、操作环境及功能性要求直接影响连接器的设计，本文就从连接器的功能性定义开始。   1.1　连接器功能 　　连接器的应用范围十分广泛，本手册的重点将会放在电连接器上，其主要应用于3C产品。从这个重点可以提出电连接器的功能性定义是： 　　电连接器是一种电机系统，其可提供可分离的界面用以连接两个次电子系统，并且对于系统的运作不会产生不可接受的作用。 　　定义中关键词是”电机系统”，”可分离的”和”不可接受的作用”。 　　连接器是一种电机系统是因为，它是通过机械方法产生的电性连接。如将要讨论到的，机械式弹簧的偏向会在配合的两部分间产生一个力量，这就使得接口配合面之间产生金属性接触。应用连接器在首要地方的原因是配合接口具有可分离性。可分离性的需要性具有很多的原因。它可以使得独立地制造部份或子系统而最后装配可在一个主要的地方进行。可分离性也可以使得零件或子系统的维护或升级不必修改整体个系统。可分离性得以应用的另一个原因是可携带性和支持外围设备的扩展。 　　另一方面，定义中的可分离性引入了一个额外的子系统间的界面，此界面不能引入任何”不可接受的作用”，尤其是在系统的特性上不能受电讯的影响，这些影响包括如不可接受的扭曲变形和系统间的信号退化，或者是通过连接器的电源损失，以毫伏损失计算的电源损失，将会成为功能性的主要设计标准，因此主机板的电力需求也将增加。 　　可分离性的需求和”不可接受性”的限度要由连接器的应用而定。可分离性包括配合周期的数目，配合周期是指连接器在不影响其性能必须提供的，以及与另一连接器相配合所必需的作用力。典型的配合周期需求其范围从内部连接器的几十个周期到外围设备的几千个周期，比如PCMCIA型连接器。由于电路或功能的数量以及连接器互相连接的增加，配合力量的需求变得更加的重要。为了提供更多的功能性，连接器上端子的位置也必须要增加，这样就导致了更高的连接器配合力量。由连接器的使用和功能而定，其端子数从几十到上千不等。可分离性和配合力量需求将会详细地在1.5.1部分中论述，同时归类连接器的互相连接的技术水准也将加以描述。 　　现在我们将要考虑的转向第二种定义连接器的方法-结构性的或者说设计/材料上的定义。   1.2 连接器结构 　　一个基本的连接器包括四个部分： ‧                           接触界面 ‧                           接触涂层 ‧                           接触弹性组件 ‧                           连接器塑料本体 　　上述组件已列在图表1.1中。 　　本手册将会在后面的章节中详细介绍上述组件中的每一件，既要从材料上又要从设计上介绍。从这个意义上，一个概要的各个组件介绍将能提供足够后述讨论的上下文背景。 图1.1为简要的连接器相交剖视图，插图(A)为接触涂层示意图，插图(B)为接触界面微观结构图。   1.2.1接触界面 　　事实上必须考虑到有两种不同的接触界面：可分离界面和固定(永久性)界面。可分离界面(图1.1，插图A)由于在首要的地方使用连接器而已经被明确的提到。固定(永久性)界面是当两个子系统相连接时在连接器功能性定义中被提到。这些界面被称为固定(永久性)界面是因为，一般说来它们只制造一次而固定使用。固定连接的例子包括位于图1.1左边的卷曲型连接和位于图1.1右边的压力型。在可分离性界面和固定连接之间存在很多的不同点，包括结构上和需求上的，它们在基本组件上具有共同之处.在两种情况下，产生和维护金属接触界面需要达到我们所期望的电力要求。此外，在两种情况下，金属性界面的产生是通过机械方法。 　　可分离界面是在每次连接器配合时建立的。界面的结构主要是由接触端的几何形状、端子之间的作用力以及接触涂层而定。如图1.1中插图B所示，可分离界面包括有微小的连接部，位于微观下的粗糙表面在常力的接触之下。可分离界面形态学将会在第二章中加以详细描述‧从这个意义上讲，足以陈述接触界面的形态学将决定三个重要的连接器功能性参数：接触阻力，连接器配合力以及连接器耐用性(例如：配合周期将仍然支持其性能而不会退化)。 　　很多固定式连接分属于两种基本类别：治金式和机械式。治金式如焊接，它要由连接器和子系统之间接触界面的结构而定。低温焊接是主要的治金式连接，高温焊接同样也被应用，并且在较小的线缆中应用得越来越多。低温焊接连接在制造印刷线路板装配上尤其重要。而许多零组件要被焊接在印刷线路板，连接器就是其中最大的零组件之一。两种主要的焊接技术：穿孔焊接和表面焊接将会在1.4.2部分和第11章中介绍。 机械式的固定连接有卷曲型，insulation displacement，压力型，遮蔽型。机械式的固定连接的图解如图1.2所示。卷曲型和insulation displacement型连接主要用在线缆上，压力型连接主要用于通孔镀金的印刷线路板上，遮蔽型连接是用在插入式印刷线路板。每一种都将会在后面的章节中详细介绍。   1.2.2 接触涂层 　　接触涂层如图1.1中插图A所示，显示了两个重要的功能： 　．避免接触弹簧基部金属腐蚀 　．优化接触界面的结构 　　第一个功能非常简单仅仅需要接触弹簧组件一般为铜合金，完全被涂层覆盖，并且涂层自身能防腐蚀和能像薄膜一样覆盖在表面。而第二个功能就要复杂得多。 　　优化接触界面的方法，其实质就是对出现在接触界面上的薄膜的规划管理。如前所述，一个稳定且较小的接触阻力由一不含薄膜的金属界面产生。两种主要的接触涂层，贵重金属(金，钯以及由它们组成的合金)和非贵重金属(如锡)，它们的不同主要是指在接触界面上的薄膜类型。对贵重金属(尤其是金)来说，接触涂层是惰性的，维护接触界面的完整性需要保护防止外部涂层的薄膜形成，主要是防止铜的接触弹簧。对锡这种最常用的非贵重金属来说，存在其表面的氧化问题是主要被考虑的。这些不同的腐蚀过程将被反映到连接器的设计标准和性能上。接触涂层的性质和选择的标准将会在第3章中加以讨论。我们曾经考虑过可分离式和固定式接触界面。事实上一些不同的涂层被用于可分离式和固定式连接接触末端。此类接触与双向电镀相关。最普通的双向接触电镀包括一个金-镍合金可分离式界面和镀锡固定式界面。 　　贵金属镀层．贵金属镀层实际上是一个复合层，它是指在前面第1.1图A中所述的接触弹片基材上覆盖一层镍，然后在镍的表面上再覆盖一层贵金属。常见的贵金属表面镀层是纯金，但现在也有用钯或者钯合金代替纯金的，而且这种做法还在呈上升趋势。在许多情况下，钯或钯合金层与纯金层接合使用以防止来于比纯金抗腐蚀能力差的镀层被腐蚀的影响。典型的贵金属层是在1至2.5微米厚的镍层上覆盖0.4至0.8微米厚的贵金属层。在钯或钯合金表面的纯金层只有0.1微米厚。下面两种钯合金最常用：80%的钯与20%的镍和60%的钯与40%的银。 　　镍底层在几个方面提高了接触性能。这几点将在第三章进行详细说明，下面仅列出来供参考。 ․减少孔隙腐蚀 ․提供转移腐蚀对象的覆盖层 ․限制基材成分的分布 ․提高镀层的耐久性 　　普通金属镀层．锡是最常用的普通金属镀层，锡镀层的厚度介于2.5到5微米之间。现在越来越多地用锡作镀层，因为，即使锡被氧化，在插拔过程中，锡氧化物也会很轻易地脱落，从而不影响导电性能。然而，表面层再氧化会以磨损的方式降低锡接合面的机械性能。磨损来源于几微米到几十微米的微小滑移。由于在磨损过程中，部分镍被再次氧化，从而使得镀层的电阻增加。对于用锡作为镀层的连接器来说，预防磨损是最重要的工作。较大的接触压力和使用合适的润滑济是两种能有效地降低磨损的途径。这一点将在第三章详述。其它的普通金属镀层，包括镍和银，也将在第三章详述。 总之，对贵金属镀层来说，保护贵金属层是首要目的；对锡镀层来说，防止磨损是首要目的。这些考虑方向的不同将直接影响连接器的设计参数。例如，正常压力大小、接触处几何形状、绝缘本体设计以及诸如插拔力和耐久性等的结构特性等都将受到影响。这些都将在第三章叙述。   1.2.3接触弹片 　　接触弹片在连接器上具有以下3个作用： 　　․在组件之间提供一条导通电讯的路径 　　․产生形成并维持接触弹片接触面的压力 　　․形成稳固的接触 　　第一个作用，只要使用常用的铜或者铜合金材料就可轻易达到令人满意的效果。铜合金的导电率虽然不是很低，只有铜导电率的10%到30%，但是，对大多数连接器来说，这个导电率已经足够了。然而材料的导电率在用作高电流或能量分配的连接器中的确起着越来越重要的作用，因为，在这种连接器中，由尔热和微电压降引起的规定温升要求更低的阻抗。 　　其它两个作用就要复杂的多，并且涉及到材料特性和设计参数之间的相互作用。接触弹片包括两种基本类型：插座弹片，通常是弹性的；插头弹片，通常是刚性的，它使插座弹片产生弹性变形，从而产生固持力。图1.3显示了插头弹片的外形图，图1.4显示了插座弹片的外形图。图1.3显示了带有插入插座弹片的金手指的打印电路板和导柱/端子插头的几何外形。导柱与端子的外形不一样，导柱是方的，而端子是圆的。图1.4显示了几种连接器的设计，所有这些都要与接触弹片对接。事实上，所有的这些设计都显示了尤其与一种称为25方的接触弹片对接，该接触弹片呈正方形，边长为0.025英寸。 我们必须综合考虑材料的各种性能，并力求达到均衡。对于可分离式接触界面，接触弹片弹性的主要功用是提供介于两插接面的对接力。材料特性指杨氏模数和屈服极限。这些性质严重地影响着弹性偏移性能和弹性偏移量。屈服极限也很重要，因为它可降低插拔力。然而弹性强度必须与制造和卷曲性能对应。例如，用于提供在对接面产生弹性对接力的机械强度(用屈服极限来衡量)是与成型性能和锻造性能相互对立的。以下各章将陆续对此进行讨论。   1.2.4连接器本体部分 　　连接器本体部分具有如下作用： ․使各接触弹片相互隔离，不能电性导通 ․固定各接触弹片 ․对各接触弹片进行机械保护 ․对各接触弹片进行工作环境遮蔽保护 　　最后一个作用—环境遮蔽，与连接器本体的设计有关，尤其与连接器本体的封闭程度有关。这种遮蔽效果在恶劣的环境中显得尤其重要。图1.5显示了一个有关环境遮蔽的直观例子。该图显示的试件是镀银的，并且是在被暴露于模拟工业环境的情况下插到图示的连接器的卡边。环境中的硫腐蚀了金属外表。然而，当试样插入本体后，腐蚀便停止了。虽然卡边还有一条卡边缘槽，但是，遮蔽效果还是相当理想的。更为重要的是，这种影响可以从暴露于这种环境的连接器的接触弹片阻值变化看出来。 　　图1.6显示了仿真工业环境和暴露时间对接触弹片阻值的影响。实验环境中包括硫氢化物、氮氧化物和氧化物，浓度为十亿分之几十到几百就足够了。数据对插接的和未插接的连接器都适用。样品也获得了一些抵抗环境的性能。在暴露了数十小时后，没有本体的接触弹片，其接触阻值明显地增加了，有本体的接触弹片，其接触阻值却很少变化，这样的接触弹片在工业环境中可以使用10年。这些数据说明了绝缘本体的遮蔽效果。 　　上述列举的其它一些连接器本体作用与连接器本体的材料特性有关。电子特性包括电阻系数和击穿电压。这些特性影响接触弹片在连接器本体的绝缘性能。重要的机械性能包括弯曲强度和蠕变强度，因为这些性能影响接触弹片在本体上的牢固程度。与温度有关的特性包括连续使用和加热使聚合体变形的温度值。使用温度和设计温度是相互关联的。在许多情况下，尤其在表面组接中，温度起着非常重要的作用。 考虑化学和温度对绝缘本体尺寸稳定的影响也是很重要的。维持连接器中心线的间距、直线度、平滑度以及曲度对连接器的装配性能和插接性能都是很关键的。这些特性，除了与聚合体的基本特性有关外，还与成型过程有关。接触弹片具有材料单一而设计式样千变万化的特点，而绝缘本体却具有与之相反的特点。绝缘本体的设计一般都具有许多相同的特征和要求，但其材料却不尽相同。绝缘本体的材料是由各种需要决定的。绝缘本体的材料不但要适应使用环境，而且还要和装配相对应。在许多情况下，正是装配过程决定了使用何种材料。连接器的材料和设计内容将在第五章进行讨论。   1.2.5连接器结构的归纳 　　本节将对连接器结构进行简单的回顾，其目的是提供一些以后将讨论的有关连接器材料和设计标准等的内容。前面已提及的一些参数，例如：插拔力、孔数以及绝缘性能等，将在后续章节进行讨论。然而，在结束本节之前，还要谈谈连接器的又一个重要性能。   1.3　电连接器阻抗 　　图1.7除了侧重点不一样外基本相似，图1.7突出装入系统内连接器组件的电阻。包括三种： 　　‧可分离可分离接触面电阻 　　‧接触弹片电阻 　　‧固定连接电阻 　　如果测出图1.7中电连接器A，B两端所有的电阻，其阻值大概为10－20微欧级，可根据下面等式确定： R0=Rpc+Rb+Ri                       （1.1） 　　其中，　　 R0：总电阻 　　　　　 Rpc：固定连接电阻 　　　　　 Rb：接触弹片电阻 　　　　　 Ri：可分离可分离接触面电阻 对典型信号端子而言，接触弹片电阻占总电阻的绝大部分。与此相反，固定连接电阻可从几十到几百微欧。可分离接触面电阻，在100克力作用下，为微欧级。故该电阻只占总电阻的很小部分。但是后二者的重要性在于，它们的电阻是可变的。当电连接器电阻变化时，可能是因为一个或二个可分离接触面电阻的增加。这就是电连接器设计／原料的标准围绕为确保这些接触稳定而变化的原因。   1.4　固定连接介质 前面已经指出固定连接是与被连接电路直接连接，有两种主要通过这些电连接器连接起来的媒体：（ａ）导线或线缆与（ｂ）印制电路板（PCBS）。   1.4.1线与线缆 　　本节将对导线和线缆作简要概述，而在第八章作详细讨论。导线由一个导体或，如果有的话，若干导体及其绝缘体组成。 　　绝缘体有两个功能：它使电导体绝缘并保护其不受机械损伤。哪种功能更为重要一些，依靠导线所用何处，根据导线的运用（尤其是导线上将要承受的温度和电压）和运用环境的机械强度来决定。聚氯乙烯（PVC），聚乙烯，以及聚丙烯是其中为通常运用目的而采用的最普通的绝缘材料，硅树脂橡胶和其它的抗磨性聚合体在有机械环境要求时常用作被覆材料。 　　铜是最普通的导电材料，不管其是否镀锡或镀银。选择电镀是基于它的运用，锡是通常运用的电镀金属而在高频率运用中则要求镀银。导线通常可分为两种：实心与多芯。实心导线由单一导体构成，而多芯导线由若干导体构成。多芯导线在芯线数及其位置或缠绕方式上有所不同，实心导线在导电能力上较有利，但多芯导线对振荡有重要的适应性及抵抗性。 　　线缆存在于各种各样的构造中，以满足一定运用范围的需要，其与单纯导线倍加在一有被覆的导线不同，可提供机械保护，同时可减少为确保在高频传输中隔离防护处理的必要性电阻。 导线/线缆结构对机械固定式连接最重要的影响是：单股/多股电连接器的不同及导线/线缆结束制程去除或处理屏蔽层或绝缘体的必要性。   1.4.2　印制电路板 　　PCB技术已经从５０层单面板发展到带接地平面的复合式的神经网络板与可控阻抗网络板。PCB制造工艺及运用要求将在第十章讨论。本节仅讨论有关固定连接本身。 　　运用在PCB上比较成熟的机械连接技术为压印，及更优的适应性压印连接。在该技术中与压印相关的端子脚插入PCB中的通孔。其连接的稳定性依赖于插入时形成的相应完全接触面残余的弹性力。PCB通孔电镀材料采用铜或锡/铜合金。 　　在PCB应用程序中比较流行的治金技术是焊接。有两种焊接方式常被运用，穿孔技术（THT）与表面粘贴技术（SMT）。穿孔技术（THT）利用穿孔及波峰焊程序。而表面粘接技术（SMT）更依赖于表面衬垫，或平台，及不同的焊接过程。与通过波峰焊的THT技术相对的是，表面粘接技术（SMT）是一个回流过程，在该程序前必须先通过大量技术处理贴好焊剂。SMT程序包括波峰，汽洗，红外加热，对流，及这些程序的组合。SMT因为零部件的高密度与PCB所含功能其应用迅速提高。SMT允许减小平台间隔以提高零部件密度，同时通过消减穿孔数目提高板的配线路径。 与可分连接的两个例子一样，图1.9提供了几种PCB固定连接的图示说明：卡边缘式电连接器及两件式电连接器。二者的具体运用将在第十三章讨论。   1.4.3　小结 关于电连接器的材料/设计及连接媒体的讨论已经涉及到许多电连接器具体特性的要求，因此，接下来本文将对电连接器作简要的说明。   1.5　电连接器应用 电连接器的运用可以从两方面来考虑：电连接器用在何处，例如它装在设备上的位置，以及如何运用，例如电连接器的功能是信号传输还是配电，其中电连接器用在何处应优先考虑。   1.5.1　相互连接的层次 　　通常描述电连接器用在何处的方法是根据电连接器的连接层次（LOI）。许多描述采用这种方式，而本手册通常采用Granitz所述方法。LOI是指两个连接的电路板，而非指相互连接的程序及其种类。大量连接程序与连接/连接器种类可用在给定层次的连接上。图1‧10说明了与电子底板连接的连接层次。 　　第1级‧第1级连接是芯片外部的热压焊衬垫与其外壳或所安装主电路板间的连接。导线粘接及各种不同的焊接技术基本上属于第1级连接，这些连接方式大多倾向于固定连接。 　　第2级‧第2级连接是外壳与印制电路板（PCB）的连接。DIP与PGA插座是第2级连接的两个基本例子。然多芯片模块（MCMS）使该定义有点复杂，但，通常，为了本论题讨论（MCM）可被看作一外壳，第2级连接为典型的固定连接，但为了修复与升级的目的，插座是由可插入的若干零部件组成。 　　第3级‧第3级连接是PCB之间的连接。插座（第2级）已经包含了电连接器的基本组件，正是在第3级将会出现更多电连接器的惯用概念。有两种基本的PCB电连接器：卡边缘式电连接器与两件式电连接器。正如其名称所暗示的，卡边缘式电连接器的一半（即插头或插座）为PCB的边缘。而两件式电连接器，其插头及插座构成金属接触。随PCB尺寸及安装接脚需求的增加，为缩小容许公差量及减少几何形状的限制，两件式电连接器的运用比边缘式电连接器占有优势。 　　第４级‧第4级连接是系统组件间的连接。系统组件可能是单个的PCB或分离的单元例如硬盘驱动器或电源。典型的第4级连接根据连接组件的种类，可包括两件式电连接器与线缆装配。 　　第5级‧第5级连接是系统组件与系统输入/输出间的连接。系统组件与系统输入/输出间的连接可以是直接安装在板上的电连接器或通过一线缆。 　　第6级‧第6 级连接是系统与接口设备或系统间的连接。这些连接典型的是线缆装配。 　　附：上述几节对电连接器电阻的构成、导线及线缆的区别、电连接器与PCB的两种连结技术及电连接器的连接层次作了简要的介绍。电连接器的总电阻由固定连接电阻、接触弹片电阻、可分离接触面电阻三部分组成，其中接触弹片电阻占总电阻的绝大部分。线缆与导线除了结构有所不同外，更主要是在其应用及抗干扰功能上的不同。电连接器与PCB有穿孔技术及SMT技术，穿孔技术穿孔技术（THT）利用在PCB上穿孔及波峰焊程序，SMT已有介绍。电连接器的连接可基本分为六级层次，即：芯片与外壳或主电路板，外壳与PCB，PCB之间，系统组件间，系统组件与输入/输出，系统间或系统与其外设间。关于级别六，是有关系统与外围设备或者系统与系统之间的相互连接，最典型的便是用相连装配方式来连接。 　　在与连接器的设计、选用方面，目前所用的连接器其相互连接的级别是从以下几点考虑： 　　1.可分离性及耐久性的需要（可提供方便的插拔效果） 　　2.标准性（具有通用的标准，可互换） 可分离性及耐久性： 　　早期规定，级别1和级别2所定的相互接合专指持久性。级别3是最先将相互连接的可分离性作为考虑因素而提出的，尤其是对于那些插拔次数较多的连接器，对其持久性的考虑将不是摆在最重要的位置，而对插拔力大小的考虑，随着端子数的增多而显出越来越重要的地位。低插入力和零插入力连接器是目前人们致力开发的对象。当然，随着芯片和MCMs上的端子数的增多，该等低插入力连接器或者零插入力连接器在设计时也会注重其端子耐久性的考虑以满足连接级别2的要求。级别4和级别5着重强调连接器要满足其不断增加的插拔次数的需要。按这样的标准制出的连接器其端子插拔力较为适当，实际上，该等连接器即使其端子数为几十乃至几百，其插拔力仍会小于级别3连接器的插拔力。级别6所提供的连接器在保持原有插拔力不变的基础上，使端子有效插拔次数大幅度提高。某些与外围设备相连的诸如电子卡连接器的端子连接，其要求插拔次数不低于数千次，这就需要在可分离之界面严格地控制其设计及选材等各种因素，尤其要提高小型化连接器之结构紧密度。 标准性： 　　标准性是指各种不同的连接方式之间具有通用的标准，级别1和级别2所指的连接器其包装和插装的标准是很重要的。其生产和组装过程会涉及到一部分该标准性以满足第3、第4级别之要求，而第5、第6级别的连接器其相干性及兼容性则显得更加重要。 　　这一观点主要是针对各种级别的连接步骤作出简要说明，指出各级别连接方式之间具有相互交迭性，而且同一连接器或连接器类型可用在不同的连接级别当中。了解该等相互交迭性质，将会有助于了解以后所介绍的各类连接器的功能，以作为对各种连接级别的补充说明。   1.5.2 连接器分类 　　这一章里，连接器将被特殊地看作是固定连接介质而不当作是连接系统来分类。按这种分类方案连接器将有三类最基本的类型即线对线、线对板及板对板。图1.11所示为三种类型连接器的结构。我们再次强调，这三种类型的连接方式并非截然不同。以下两个原因可说明这样的类型交迭状况。首先，同一种连接器的设计方案只需经过在连接方式上稍作改变后再重新定义，即变成可适用于另一种类型连接方式的新的设计方案；其次，一条线缆在装配时可于其一端装上线对线连接器而于另一端装上线对板连接器，例如：I/O连接器5级产品的外形便是其中最常见的例子。若避开这种连接形式的类别模糊性而不谈，该等连接形式正好提供了连接器分类的有效依据。 　　．线对线连接． 　　线对线连接同样也包括了线对线缆或者线缆对线缆的形式，其定义特征是两根单线个体或者是两条线缆中的对应导线相互永久性连接。该等永久性连接更多地常见于固定连接中线对线连接以及IDC连接。卷曲连接常见于不连续的线连接器中，IDC因其在与导线相关及线束末端处理上具有优越性而常用于支配线缆连接器，线对线连接器具有各种各样几何形状的塑料支撑件如直角和圆形聚合形体的塑料件，还有许多不同形体之组合形状的塑料件及金属屏蔽壳体，主要在军事上得以应用。 　　．板对板连接． 　　前面已提到过两种类型的板对板连接器，如插图1.12所示，一种是单片连接器或成为卡缘，另一种是双片连接器。第一种板对板连接器设置于电路板边缘故称卡缘，其发展至最终将会变成双片连接器，因为印刷电路板技术性能及其尺寸在不断增长，当板的尺寸增加，其结果将导致连接器的容量增大，从而端子数增多，连接器插拔力增大，电路板印刷电路的容量增大将导致线路密度过大，单片连接器很难满足其要求，所以，其最终将发展成双片连接器。 　　．线或线缆对板连接． 在线对板连接中，有一半连接器是与线或线缆相连，也有与印刷电路板相连，与前述线连接一样，板连接亦是如此，只不过需要压入或焊接两片连接器，许多卡缘式的连接器依然在应用，其端子配合界面适合可分离的连接性，线对线连接器也是大同小异，它们均是出自同一家制造厂。线对板连接器还具有很多其它的用途，其发展方向是线缆对板连接器，或是利用前述IDC的优越性进行线缆装配。   ．总结． 　　这种形式当然不是给连接器分类的唯一方法，但这种方法确实能很好地实现比较各种连接器的目的。每一类型的连接器将在第13章里作细致地讨论，在这一章里还将讨论一些附加类型的连接器如：同轴连接器、遮蔽连接器、过泸连接器及可控阻抗连接器等。   1.5.3 　连接器的功能应用 　 　　随着连接器应用范围的不断扩展，它们可根据其两大基本功能而分成：信号传输及电传输两类。在电子应用领域这两类连接器的显著特点在于其端子上一定带有电流，在其它的应用当中，端子所提供的电压将同样作为很重要的考虑对象，虽然同一种端子的设计可同时作为信号和电量传输两种功用，但在多种相类似的接触方式的应用上来看，许多电传输连接器在端子设计时仅仅把电量传输的需要作为唯一目的。 ．信号传送． 信号传送可分为两类：仿真信号传送及数字信号传送。这种分类是基于很多共同特征来描述的，在这部分的介绍当中我们对其并不作详尽的讨论，数据信号以及与其相关的连接器将在第12章中讨论。 　　不论仿真或数字信号连接器，其所需功能主要应能保护所传送的电压脉冲信号的完整性，该完整性应包括脉冲信号的波形以及其振幅。数据信号在脉冲频率上与仿真信号有所区别，其脉冲传递速度决定了所保护的脉冲的最大频率，数据脉冲的传递速度比一些典型的仿真信号要快得多，有的脉冲在连接器中的传递速度已接近千亿分之一秒的范围，在当今微电子技术领域中，通常把连接器当作一导线看待，因为与增长如此之快的频率相关的波长能比得上连接器的尺寸。 　　当连接器或是一互相连络系统诸如一线缆装配被运用于高速数据信号传输中，相应的对连接器性能的描述也就改变了。代替了电阻的特征阻抗以及互相连络系统中的串音变得尤为重要。控制连接器的特征阻抗成为一大意识潮流，在线缆中便是对串音进行控制。特征阻抗在连接器中之所以具有如此重要的地位，是因为电阻的几何外形很难做到完全统一，加之连接器尺寸又很小，必须将串音的可能性最小化。在线缆中，几何形状的控制较易实现，其特征阻抗也易控制，但是线缆的长度将有可能引起潜在的串音。 　　在连接器中控制特征阻抗是围绕这个理由而进行的，在典型的开放式端子区域，连接器阻抗(和串音)是通过控制端子以合理的分布方式而达到的。于此类信号而言，接地比率是这种分布的一种反映，接地比率减少了。当然，这样的结果就会减少可用于传送信号的端子数目。与信号端子相关的理由位置是很重要的考虑因素。为了避免接地端子的减少，具有整体的接地平面的连接器系统已经得到了中发展。前文中已经介绍过了微条和条线的几何形状。整体的接地平面允许用于传递信号端子的使用，且能提高连接器所有传递信号的密度。图1.13展示了一个开放端子区域和接地平面连接器的结构。 ．电力应用． 如前所述，在上下文提到的电连接器是必须传递电力的。通常其电压很低。通常用到的是如下两种电力传递方法：(1)专用于高水平的当前电力接触传递(2)和并行多笾信号接触。它们每一种方法都有优有劣。 　　电力传输与信号传输相比有两点不同之处。第一点，也是最明显的，是用于传递较高电流。信号传递的电流通常不超过1安培，最多也不会超过几安培，而电力传输的电流可达到几十乃至几百安培。第二点是由于电流导致的焦耳热而产生的温度升高。信号接触过程产生的焦耳热与周围的温度相差不多。相反地，电力传输的比率又是基于温度的升高，温度的升高，又产生相应的比率电流。一次30度的温度的升高通常作为一个电流比率的标准。 　　因此，为满足电流额定值及性能的稳定性要求，控制焦耳热是很有必要的，这就需要在设计当中考虑信号传递的同时也要考虑电量的传输。尤其对电阻大的端子，焦耳热是一重要因素，必须将其减小到最低程度，而且，接触面的电阻也必须减小到最低程度，使其产生的热量最小化。从选材的角度来说，当然是选择高导电率或是横截面积较大的端子以减小电阻，另外，增高传输电压或增加接触面积亦可减小接触部分的电阻。 　　图1.13关于开放端子领域（a图）和接地平面连接器（b图）的例子。（AMP公司许可)   　　更高的交叉部分、多余的接触端子，都暗示提高接触压力下连接器的尺寸。也就是说，实际上，有一个限制在贡献电接触上，包括接触媒体和接触的尺寸。在使用贡献电接触上，电力线缆的路径，线缆大电力接触的终点及电接触的尺寸会成为限制因素。 　　随着在连接器设计上提倡附加的限制，并行多讯号接触允许更多传统的连接器被用来分配电能。这些限制首先直接针对保证通过接触的电流的分配，同时，它们的热环境尽可能一致。其中以下三个因素是主要的﹕ 　　 1．电路应是平行的电子流；也就是说，如果可能的话，经过所有的接触电压降应该是相同的。如果不同的电压降对用途来说是根本性的，则这些电路将被区别对待。  　　2．如果可能的话，接触时的热效应会被减至最低，尤其指一大束的电流接触将被避免。  　　3．接触的阻抗或是在全部讯号分配里一起计算的任意偏差必须相同。例如，依靠在接触时存在的排列方式，在适当角度连接器独立接触的巨大阻抗会有差异。在设计分配的接触时，这些差异应当被考虑。 　　认识到所有考虑的结果是一个明确的关于接触的电流的影响能力的讨论。降低到50%可能会被意识到。换句话说，为分配100A的讯号到PCB，如以1A的电流接触速率，那么合适的接触应当是接近200A而不是100A，这表明，大量接触是相当依赖于单位接触电流速率。  ．概述． 　　大体上，由于受终点、路线和尺寸考虑的限制，电流分配经由贡献高电流能力是明显的。考虑到大范围接触和连接器的用途，多数电流分配的讯号接触的用途需要更多的详细分析，这些分析关于连接器要求和它们在本体中位置的接触分配。   1.6 连接器测试 　　讨论到这个程度，也就牵涉到自身在连接器设计及材料、用途的考虑。现在把注意力转向如何测试性能；也就是说，连接器测试可从两个方面来评估﹕即做什么和如何做，为什么测试。   1.6.1　连接器测试的类型 　　首先考虑做什么测试和如何做测试。在本书中的一些叙述中，一项连接器测试包括露天条件和设定条件的操作，由此也将定义这类操作，接下来是测试手段。例如，暴露在腐蚀性环境下的接触阻抗测试一般被认为是一种环境测试。以上这些牵涉到做什么和如何做，这表明选择和如何定义这些条件，测试哪些性能和如何做测试。至少有三类测试和测试手段﹕环境测试、机械性能测试、电气性能测试。实例见表1.1。 　　通过介绍测试术语，接下来考虑测试原因。   1.6.2　连接器测试的原因 　　连接器测试的基本原因是鉴定连接器性能。除设计鉴定测试外，原型或试验型产品做测试可使连接器设计有充分依据，大部分连接器测试被引入每一个特定或合格测试程序用来鉴定产品性能。对于本次讨论目标，特定的或合格测试不同于那种特殊的由连接器生产厂商定义的作为每一个检测项目的测试。就条件测试而言，它是由消费者、产业界、国家的、国际标准来共同定义每一测试程序。在每个例子里，测试程序将包括大量测试项目﹕环境测试、机械性能测试、电气性能测试。测试项目和测试手段及认可的判断标准都与连接器设计必须满足的使用或市场要求有关。通常，这种露天条件和测试手段判断标准是有一些一般代表性，在种意义上覆盖了一个市场或一个使用范围而不是针对某一个特殊使用。 　　当一项特别使用成为测试程序项目时，测试可能被指定为性能鉴定测试。在这样的一个例子里，暴露条件常常是更特别的。根据环境和暴露时间       表1.1　连接器测试类型 类型　　　　暴露条件　　　　　测试手段 环境测试　　混合的流动性气体　渗水性 　　　　　　温度／湿度　　　　温度升高 　　　　　　热老化性　　　　　潮气吸收 机械性能　　热振动　　　　　　抗拉强度 测试　　　　振动　　　　　　　摩擦系数 　　　　　　耐久周期　　　　　适配力 电气性能　　过载电流　　　　　接触阻抗 测试　　　　电流循环　　　　　转换阻抗   长度可更适当地反映对条件及特殊使用的需求。这同样是一个真实的测试手段及认可的判断标准。这样的测试是一个介于条件与性能测试的中间环节。 　　可靠性测试伴随着一个相似于用在别的合格或性能测试上的测试表。然而有两个主要区别。首先，可靠性测试要求在暴露测试和操作环境间存在一个比合格测试更严格的已知的联系，换句话说，测试可靠性必须在测试与使用上有一个加速因素是已知的。这也就是说，暴露在测试A中X天要等同于在使用B中Y年。这种要求通常无法满足，并限制了做可靠性测试的。第二点不同在重要程度和统计处理上的认可判断标准。条件测试认可判断标准，例如暴露条件中阻抗的最大变化是一般性的，所以它们的价值在于，通过广泛使用，提供可接受的性能。考虑到使用，可靠性认可判断标准将反映特殊要求，这将在很多案例中明显超过合格价值。但可靠性认可判断标准还将被运用去满足更严格的统计要求——在特定的相同尺寸和数据分析——超过那些用在合格测试程序中的要求。   1.7 结论 　　本节叙述的目的是介绍术语，并对于每个将在以下章节所提到的更详尽的主题讨论提供一个上下文背景。 第二章　接触界面及接触过程   　　在第一章已说过，接触界面的微观结构决定了电连接器的电子性能和机械性能。例如，可分离接触界面和永久性接触界面的电阻值和插接力以及耐久性都依赖于接触界面的微观结构。因些，有关接触界面的的基本结构和接触界面形成的过程的知识对了解接触界面对连接器的一些重要性能特征的影响是很必要的。这些知识，反过来，又会帮助理解界面的设计和制造界面的材料对创造和维护确实可靠的连接器特性的影响。下面的讨论将主要针对可分离接触界面，但是，这些相似的讨论也与永久性机械接触界面有关。   2.1接触界面的形状 　　如前所述，当把插头插入插座孔时，接触界面就产生了。威廉先生提供了一份说明界面产生过程的详细数据。 　　有时候，根据连接器和地球外表的相似点，使连接器接触点(a-spots)具体化是很有益的。事实上，乡村确实提供了一种非常有用的典型连接器接触界面的拓朴模型。山丘高度与山丘间距离的比例和连接器接触表面的微观拓朴模型是相当相似的。两者之差异大约在1%至10%之间。根据轮廓测定法(profilometric)和语义学(SEM)原理绘出的详细的连接器表面图与普通的地球轮廓图是相当相似的，而且把两个导体压在一起，就象把美国的佛蒙特州翻过来盖在英国的汉普夏郡，比例是1：3，000，000。 　　这个模拟例子阐述了关于接触界面构形的凸凹面的重要性，并且介绍了微观接触界面的形状，图2.1描绘了这种微观接触界面的形状。实际上，只有接触界面的高点，即微观凸面，能够相互接触。这些微观凸面被称为接触点。虽然它还受其它因素的影响，但是接触点的数量取决于接触面的粗糙度，这一点以后将详述。由于尺寸太小(微米数量级)；即使在“板对板”阶段，在一克力的作用下，这些接触点也会因发生塑性变形而被破坏。这个破坏要持续到一个足够承受施加负荷的接触表面形成时。威廉和格林针对这一问题作了详细的讨论。 　　从应用的角度看，上述讨论暗指实际接触界面的大小仅取决于施加的负荷。对于一个连接器来说，该负荷对应于接触正压力。对于典型的连接器，接触界面仅有一小部分(1﹪左右)是接触的。 　　接触正压力决定接触面积，但如何分配这些接触区域则取决于接触界面的几何形状。如图2所示，球面接触将形成无数个圆形接触点。 　　因些，接触界面的构形依赖于接触界面的粗糙度，该接触界面的粗糙度又影响接触点的数量、施加的负荷(该负荷影响接触面积)和接触界面的几何形状(该几何开关又影响接触点的分布)。 　　接触点的数量与接触界面的依赖关系是合理的，下面将作进一步说明。按照威廉和格林的观点，初始表面粗糙度决定接触点的数量，但是有多少接触点能接触却依赖于施加的负荷。连接器表面开始接触时，只有最高的接触点能接触导通。这些一开始就接触的接触点的变形使得接触界面越来越相互靠近，这样，其它比一开始就接触的接触点稍低的接触点也逐渐实现接触导通。随着负荷的增加，这样的接触点将依次变形。当足够数量的接触点变形到某一程度，即，当所有接触点面积之和足够支承施加的负荷时，这种变形便停止了。如果引用一个硬度的概念，那么，对这个过程就可进行直观的描述了。材料的硬度是用力和单位面积比来定义的，例如克力每平方厘米。也就是说，如果某材料的硬度是10克力每平方厘米，那么一个10克力的负荷或力将产生1平方厘米的接触面积。那么，接触点的数量就依赖于表面接触点和施加的负荷。 　　接触界面的宏观几何外形(例如球面与平面平面接触)决定了机械接触面积在整个接触面积中的分配方式。图2.3描述了影响的过程，该图用实例说明了当外载荷增加时，接触点的尺寸和数量也相应地变化。 　　摘自Green Wood的图2.4提供了一个上述观点的实验依据，该实验显示，当一个钢球分别用两种不同的载荷，如20克力和80克力去挤压一平面时，两者的接触界面就产生了。该实验表明，在载荷作用下，接触点的数量、单个接触点的尺寸，以及由无数接触点组成的宏观接触区域面积都将相应地增加，这一结果与上面的论述完全相符。 　　接触界面的粗糙度或接触点模型可以描述如下： 接触界面是由分布于宏观接触区域上的接触点组成的。宏观接触区域的大小取决于接触界面的几何外形。接触点的数量和大小处决于表面粗糙度和负荷。负荷也决定了接触界面的光洁度。 　　这种模型描述了接触界面上的机械构形，但是它仅仅从微观上描述了接触界面的外形。然而，考虑精炼炉的细微表面，甚至其表面的原子或分子结构都是非常重要的。所有的金属表面都覆盖着一层原子数量级的薄膜。图2.5简要地表达了几种可能覆盖于金属表面的薄膜。在金属表面的最外层可能是大量的化合物薄膜。氧化物是最常见的一种，其它物质(如：硫化物、氯化物以及复合膜)也可能存在，这是由金属材料和金属暴露环境条件决定的。不同金属的热力学性能和运动学性能差异很大，热力学性能决定生成何种薄膜，运动学性能则影响薄膜的生成快慢。 　　如果考虑接触界面镀层的话(这一点将在第三章论述)，那么上述薄膜对连接器性能的影响就显得相当明显了。事实上，如第一章所述，接触界面的镀层可以分为贵重元素(不易发生化学反应的元素，如，金)和非贵重元素(如，锡，该元素表面通常有一层薄薄的氧化物层)。因此，可以认为：生成化学膜的类型以及生成速度都依赖于基材金属和环境中的化学物质。除了化学物质以外，环境温度和湿度也在薄膜生成时扮演了重要的角色。 　　除了上述化学膜以外，其它复合膜(特别是含水量、组织以及各种各样的其它污染物和微粒)也可能存在于金属外表。这些复合膜也可能对连接器的机械和导电性能产生很大的影响，这一点将在以后阐述。   2.2接触界面和机械性质 　　本部分主要讨论点接触模式决定的接触界面的机械特性，尤其是对摩擦和磨损的影响。从连接器性能的角度来看，摩擦的重要性在于它对于连接器配合力的和接触界面的机械稳定性的作用。在连接器性能显然退化之前，磨损过程将影响连接器能经历的配合周期次数。点接触模式对摩擦和磨损的作用可以由图2.6中得到解释。在图例中展示了两种点接触方式，其中a区接触时间比b区接触时间更长且经历的变形量更大。如2.2.2部分中所述，在这些条件下a区的接触面积将大于b区，也就是说a区的连接将会更比b区稳固。此时a区的剪切力(或剪切强度)也比b区大。这种变化将会影响点接触的摩擦和磨损。 　　为预测将会遇到的问题，摩擦和磨损是两种不同的方法，来描述点接触界面在受到压力之下的分离。接下来的讨论仅仅涉及到单一点接触模型。当然接触界面的性能将会影响多个的点接触结构以及由各个独立的点接触性能总和表现出来。此时将首先考虑摩擦作用的影响。   2.2.1 摩擦 　　摩擦表现为一个力量，其作用是阻止两个接触表面之间在受到剪切力的作用下沿相对的方向移动。摩擦力可以由公式2.1来确定： 　　　　　　　Ff=μFn      　　　　　　　　　　　　　（2.1）        其中，　 Ff==摩擦力    　　 μ==摩擦系数             Fn==维持两表面接触的力---对连接器而言是接触正压力 　　由Rabinowitz的理论，摩擦力可看作是分离两表面间连接的必需力量。摩擦力可以从下面公式中，由接触界面强度而进行简单的估计：          　　　Ff=τs Ac 　　     　　　　　　　　　　（2.2） 其中，　　τs==剪切强度系数 　　　　　Ac ==点接触面积 接触区域与硬度，H(接触高度)，以及由等式(2.1)中的力Fn 有关：                 Ac =κH/Fn                                （2.3） 比例常数κ由很多参数而定，例如表面镀层的作用，润滑的状况，表面粗糙度，接触正压力以及变形的种类(弹性/塑性变形)，由此，我们将公式(2.1)与公式(2.3)合并后可得到：                μ=κτs／H            　　　　          （2.4） 　　如Rabinowitz 所提出的，剪切强度和硬度同样要由材料的性质来决定，因此公式(2.4)中的系数可以被看作为1的常数。 　　在实践中，摩擦系数是从0.05到>1不等，与理论上的偏差仅仅反映的了假设的简化模式的限制，尤其是接触总面积是金属以及表面的分离产生在原来的接触界面上。 　　低的摩擦系数值表明接触表面是由镀层覆盖的，其中有化学联接层(如氧化物)，吸收层(如水或有机物)，以及趋向于应用的润滑剂层。这些涂层对于减少这两种机械接触表面的剪切强度都是非常重要。 　　位于接触端的氧化层可减少金属接触面积。氧化层能支持但并不能促进机械式的金属接触。减少金属接触面积将导致剪切力的降低，其最终的结果是摩擦系数的减少。 　　有机涂层尤其是润滑剂，提供了在两表面间具有更低的剪切力的接触表面和inhabit金属接触层，尤其是两表面之间具有相对运动。 　　高的摩擦系数表明，点接触的塑性变形作用和金属性连接的产生，将会导致比基础金属材料更高的剪切强度。应用到接触界面上的剪切力将会导致在接触界面上一定距离内接触碎片的产生，此时将会导致更大的碎片接触表面积同时也将导致更的摩擦系数。使连接的碎片从原来接触表面中分离出来的可能性提供一种磨损过程的模式。   2.2.2 磨损过程 　　正如Bowden以及Tabor所提到的，摩擦和磨损过程要由接触表面的分布位置而定。如前现所提到的，点接触塑性变形将会由于加工时的变硬而导致接触强度的增加。除了加工变硬之外另外一机理同样很重要：也就是冷焊。冷焊与经过接触界面联接的产生有关，而此接触界面是出现在两金属表面将成为intimate接触时。在此条件下，相同的联接机理将对金属的粘着力量起到作用。事实上冷焊界面的强度高于基础金属，这是因为变形时产生加工硬化。这种可能性对在受到剪切力作用下的接触将会产生很大的影响，也同样要对磨损机理产生影响。现在回到图2.6中的a-区域，考虑一下当给定冷焊接触界面的模式时接触界面的分离怎样出现。在剪切力的作用下假定a-区经过了冷焊，将会从原来的接触表面中分离出去，导致磨损碎片的和金属转移，此时情况如图2.6中的下部所示。b -区部分具有较低的变形，因此也具有较低的冷焊时的加工硬化，也将会在原来接触表面的附近产生微小的分离，也就是说基本上没有磨损和金属转移。 　　前述提到的磨损过程中，a区为粘着磨损而b区为光滑磨损。粘着磨损的特性是高的摩擦系数和在两界面间出现金属转移，而光滑磨损过程是低的摩擦系数和极少的金属转移。应当注意到磨损是一个动态的作用过程，它只是当两接触表面间有相对的运动时才会产生。在此运动过程中，连接增长和prow 成形将会随着大量的接触界面的形成和分离而出现，此时的结果将是磨损过程分布在其滑动的轨迹上。粘着磨损和光滑磨损轨迹上表面分别是粗糙和光滑的，此时可从相对的金属转移量而定。 　　同样应当注意的是，如果a-区分离产生的转移磨损部分，将会在接触界面上产生如研磨一样的作用，这是由于它将产生的加工硬化，这里也就提到了第三个磨损机理：研磨磨损，如Antler所提到的，研磨磨损将会导致接触界面的磨损率的增加。   2.2.3表面薄膜的摩擦和磨损 　　表面膜对摩擦力及磨损的影响可通过分析图7加于讨论，图7大致显示了摩擦力系数的变化，µ，作为随负载变化的函数。负载变化开始及其存在的范围依赖于表面膜，构造或化学接合和表面润滑状况。摩擦系统数随负载的变化能从小于0.1到大于1.0。据等式（2.5）显示，磨损系数κ，有相同的变化趋势，但因为磨损机理的变化其变化阶数很大，例如，接合处增大与凸头的形成。 　　首先考虑摩擦。低负载状况下，氧化物的破损与脱落是不完全的，只有一小部分金属接触面产生及粘附，导致低摩擦系数。随负载的增加，表面变形增加，从而使表面氧化物破裂十分容易。随金属接触面的增大，摩擦系数亦跟着增加。最终，金属接触面变得很大，摩擦系数稳定下来。 　　相似的情况在磨损系数变化中也可以见到。磨损系数可由一简单的破损等式确定：     　　　　　 v=κFn L/H   　　　　　　　　            （2.5） 此处 v==通过单程长度L的容量      H==硬度      Fn==负载      κ==磨损系数 　　在该状况下，如前面所述，磨损系数集中于破裂的连接处。低负载情况下，小接触面积及极小的冷焊导致小连接处增大及凸头形成，并伴随小的磨损在原始接触面附近发生分裂。负载超过一定范围，磨损系数依赖于两种材料特性与接触形状，通过接触增大与凸头形成，表面薄膜破裂的增加促进了冷焊的形成和导致粘附性磨损的增强。随这种磨损机理转化的产生，磨损系数便显著发生变化。变化负载也依赖于接触面的润滑状况，是因为在滑动期间润滑对接触形成动力的影响。有效的润滑可减少与摩擦系数及磨损系数二者有关的金属接触面。Antler建议，对硬金属接触面而言，由光滑磨损向粘着摩擦变化所需的负载，无润滑接触面大约需要10克力，而有润滑的接触面则超过500克力。通常金镀层电连接器的正压力范围从50克力到200克力，暗示了使用润滑可延迟粘着磨损的发生。但是，该情况并非必定出现，因为在前述期间全部接触表面形成了污染膜。这些污染物能提供表面润滑，虽然是以污染的方式。Antler指出这些偶然被污染的接触面可承受的负载范围大致为从25克力到250克力。为确保一致的低磨损状况，有计划的润滑是有益的。接触润滑将在第三章讨论。   2.2.4　机械特性小结 　　接触面的机械性能，尤其是摩擦及磨损，强烈依赖于接触面粗糙微结构，因为这些粗糙微结构很小，它们在较小的负载下发生弹性形变而导致微结构接触面的工件硬化及冷焊的发生。接触点，接触点的破碎决定了接触面的摩擦系数及磨损系数。摩擦系数影响接触面的配合力和电连接器接触面的耐磨损持久性。   2.3接触面形态及电气特性 　　影响摩擦及磨损的相同结构及薄膜决定了接触面的电气特性。简单而言，本讨论从金属接触面开始，薄膜的影响将在后面考虑。 　　两个金属面接触产生一电阻，术语称之为接触面压缩电阻，压缩电阻产生的根源，如Holm所描述，是一个基本的结果并可通过图2.8加于说明，接触面接触点微结构使电流被压缩为仅从接触点通过，因而会产生“压缩电阻”这一术语。根据Holm所述，对单一接触点来说，压缩电阻由下式确定： 　　　　　　　RC=ρ1/2α+ρ2/2α      　　　　　　　（2.6） 此处   ρ1与ρ2==接触材料的电阻系数                α==接触接触点的直径 　　如果两种材料相同，（2.6）式可简化为：     　　　　　Rc=ρ/α                   　　　　　　　（2.7） 　　应该注意的是压缩电阻是一种几何形状上的效果。这就是说，如果如2.8图所描述的几何形状是因为在实心原料上加工一细小凹槽而形成接触点，尽管没有接触面存在仍有压缩阻抗产生。流过变小了的通过面的电流的压缩是因为接触面结构的相互独立。这种接触面构造能够导致阻抗的增加超出根据式（2.7）所得出的结果，例如薄膜，但是减少压缩电阻的唯一方法是增大接触面积。 　　为了本讨论的目的，多个接触点及它们接触电阻的分配对总接触电阻的影响可由图2.9说明。插入的等式表明分布在同一接触面的单一接触点和多个接触点的压缩电阻依赖于其接触面的几何形状。而多点接触等式与通常接触表面更为相关：       　　　Rc=ρ/nα+ρ/D       　　　　　　　　      （2.8）     此处    ｎ==接触点的个数 　　　      D==接触所分布平面的直径 　　该等式表示一系列宏观压缩电阻的合成决定于各个接触点的微电阻以及这些接触点所分布的接触面积。图2.10说明了这两种作用。第一条件明确了并行排列的多个接触点的阻抗。对金属导体而言，这种情况的电流压缩与接触面非常接近。第二个条件则表明了电流压缩通过分布接触面的结果。等式（2.8），可清楚表明，当接触点的接触数目非常大（数以十计）时，第二个条件尤其依赖于接触点的分布。在这些条件下，图2.9提出了一种近似的压缩电阻的第三等式。对显示的这种情况，其假定了接触点的圆形分布，分布面积（因而其直径）能够从接触材料硬度及其提供的压力中得到，结果如式（2.9）。 　　　　　　　Rc=κρ√（H/Fn）        　　　　　　 （2.9） 此处       κ==与表面粗糙程度，接触形状及弹性形变有关的系数             H==硬度             Fn==接触正压力   2.3.1金属界面的压缩阻抗 　　对以上这样简单的等式的论证在插图2.11中会有所提示，从具体角度来讲，它所涉及的就是针对接触表面为铜、镍、黄铜及锡这四种金属其各自的接合力以及相对应的压缩阻抗之间的对比关系。从图中可得知该接合力非常大，虽能保证一个较大的接触面积，但是接触表面的镀层金属容易被破坏，该两者之间的相互关系可用等式(2.9)来表示。图2.11中的表格所列的是关于三种金属的硬度及电阻系数。为了减小对压缩电阻的影响，必须控制接触面的粗糙度，对铜、黄铜、镍三种金属均应如此。对于锡，由于其极易遭磨损破坏而通常不用于直接受力部位，因此对其粗糙度不作讨论。首先来讨论关于铜的一些数据。图中虚线表示计算值，实线表示实验测试值。可以看出虚线与实线重合的非常好。对于锡和镍，图中仅仅显示了其测量值，因此对其只进行相关的讨论。注意到镍具有比铜更高的电阻系数及硬度。由于电阻系数及硬度与压缩电阻的关系分别为线性及平方根关系，因此镍的压缩电阻值会是铜的八倍。比较其测量值可看出接触压力为一千克力左右时，其重合度较好。对于锡，其电阻系数增加了十倍而硬度却降低了五倍，因此其压缩电总体上增加了，但这并不是说光考虑电阻系数的大小就能判断压缩电阻，因为其接触面的面积会增大。这些数据表明根据点接触模式导出的2.9式是正确的。 　　然而，在连接器涂层部分，上述简单的等式运用起来受到干扰而变得复杂。因为在涂层部分需考虑到各层之间的相互作用使系数K很难决定，导致很难决定适当的硬度及电阻系数。在具有锡涂层的黄铜接触面，其利用锡的硬度和黄铜的电阻系数，如图2.12所显而易见。 　　通常锡涂层的厚度会大于2.5微米，锡是一种十分软的金属，接触面磨损通常发生在锡涂层里。另一方面，有两个原因导致电流的压缩主要产生在接触弹片即黄铜涂层上。首先，黄铜的传导率略等于锡的传导率的2.5倍，因此在尚未接近有压缩变形的接触表面时，电流在黄铜中的分配会保持恒定。接触部分的面积与接触弹片横截面积的比越小则这种效果就越明显。 　　由图2.13所示可显而易见这种选择的正确性。压缩电阻是通过等式(2.9)对锡的硬度及黄铜的电阻系数进行换算而得出，其可变的接合力是被指定在虚线所包括的范围。覆盖在黄铜表面厚度为2.5微米的锡涂层的测量电阻，作为接合力的一个特性而绘制成一条实线。该实线与虚线具有良好的重合性，而锡涂层的厚度若为12.5微米，则其测量电阻值实线与计算值虚线产生了较大的偏移，其原因可由图2.14的例子说明。厚的锡涂层对压缩电阻导入了较大的电阻（主要是因为锡的电阻系数较大的缘故）。 　　显然，等式(2.9)的运用具有一定的限制条件，最起码要先了解设计及选材对压缩电阻的影响，尤其要知道一般接合力及接触面的分布是决定接触电阻的主要因素。接触面的分布主要依赖于接触面的宏观几何形状，亦即插座端子与插头端子各自接触表面的几何形状。   2.3.2 表面氧化物的接触电阻 　　也许在这里还有必要重提等式(2.9)所介绍的金属接触，不论是何种金属涂层，其上均会附着一层诸如氧化物之类的化学物质，则前面所提及的接触面变形实际上就是指这些氧化物的变形。至于表面氧化膜，不管是开头所提到的还是在连接器的运用中出现的，均是影响接触界面的不利因素。选择合适的接触面镀层将对生成的氧化膜起着决定性作用，不仅可决定氧化膜的种类还可决定其受到破坏的容易程度。这类话题将在第三章中作详细讨论。 　　如果表面氧化膜并没有消除或只是部分被消除，其结果将导致给压缩电阻额外加上一个电阻。氧化膜电阻可有两种存在形式，如图2.15示。如果氧化膜没被消除，伴随压缩电阻的产生将会产生氧化膜电阻（如2.15图左侧示意）。如果氧化膜被部分消除，则该氧化膜电阻会成为有效电阻与金属压缩电阻并联（如2.15图右侧示意）。这种高阻抗的氧化膜电阻由于金属接触导通而相当于被有效地减小了其厚度。但是，从整体上来讲，电阻值还是升高了，原因是氧化膜的存在减小了金属接触面的面积。 　　表面氧化物引起的电讯衰弱．氧化物的电阻系数可以为很高，相当于半导体到绝缘体的电阻系数范围，并具有高度可变性。氧化物的可变性可发生在以下三个化合物性质方面： 　　．成份 　　．结构 　　．厚度 　　这三个性质，均与氧化膜形成的条件有关。特别是环境的成份，温度，湿度对氧化膜的结构、性能起着决定性作用。由于氧化膜的易变化性，所以对氧化膜进行机械性的破坏是处理氧化膜的首选方法。 　　然而，氧化膜的结构却有利于与电相关的方面，Wagar和Holm均对此作过详尽描述，现简要地概括如下。一个电场穿过一绝缘体或者一高阻抗薄膜将会导致产生新的机构，如电桥、可提供fritting的机构，用一临界电场导致电压穿过氧化膜是实现这一目的的必要条件。可是，更多的情况下临界电场（甚至是临界电压）也是依赖于更前面所提及的可变因素：表面氧化膜的厚度、组成及结构。另外，当电桥产生以后，电桥的电阻也要依赖于电流的大小。该等电阻的可变化性加上电压需求的可变化性会导致表面氧化物的电子故障并给一般的电子应用带来麻烦。 　　表面氧化物的机械破裂．因为制造一金属接触界面的需要，表面氧化物的机械破裂在连接器上尤其重要。马口铁（镀锡铁皮）以锡作为接触镀层来源于这样一个事实，即马口铁表面上原有的氧化物薄膜在连接器对接时很容易破裂和转移。氧化物转移的机理如图2.16所示。在马口铁表面覆盖有一层又薄（几十分之一公尺）又硬又易破裂的氧化物薄膜，薄膜下的马口铁则又软又具延展性。当于此马口铁施加一接触压力时，很薄的氧化物层不能承受该载荷，又因为它很易破裂，在这样的条件下，载荷被传导进又软又具延展性的马口铁内部，其在载荷下开始流动，且随着马口铁的流动，氧化物薄膜扩大裂缝而马口铁通过裂缝被挤出。此外，马口铁表面开始形成可电性导通的区域。威廉姆斯在铝而不是在马口铁上证实了这种机理，如图2.17所示。图2.17之左图表示当一球载荷施加在铝平面上时，铝表面上的氧化物所发生的破裂；右图表示在铝的表面氧化物被去除此之后，原来发生破裂的区域。在铝的氧化物界面上，铝被明显从裂缝中挤出，而比铝更软的马口铁则更易受这一机理的影响。图2.18的数据可证实上面的假设。图2.18表明对于一个铝与铝相互接触的系统，接触阻抗对应于接触压力的关系。 　　接触几何形状的研究包括半球面而不只是平面，加载与卸载的数据都表明：甚至在很小的接触压力下，当加载时，马口铁的表面氧化物很容易地转移是接触阻抗急剧下降的一个象征，这暗示一个金属接触界面的创建。进一步的金属接触的证据能够从以下事实被推证，即随载荷的移动，低阻抗价值被保持。这种特性被解释成为在接触界面发生了冷焊。随载荷的降低，冷焊维持完整的界面。更进一步的冷焊的证据是事实上，在许多情况下，对于卸载时的分离接触，一个确定的压力是必要的。泰姆塞特在研究铝的接触时证明了同样的特性。 　　在图2.18的载荷条件下，从软和硬的物质上薄膜转移的不同可以得到图2.18与图2.19的数据比较．在这个例子里，对于半球面和平面，接触金属都是铜合金C72500(89%铜9%镍2%锡)。空气中热老化性导致了表面氧化物的形成。C72500明显比马口铁硬所以在载荷条件下的破裂会更低。因为正是破裂驱使裂缝和表面氧化物分离的产生，而在C72500比在马口铁上更难转移氧化物。此外，C72500通过裂缝挤压而出的部分将更少。这些不同如图2.19所示。随载荷的施加，对于分裂表面氧化物，更高的接触压力是必要的。直到100克力被施加，否则不会发生接触阻抗的明显下降。由于C72500比马口铁更硬，所以它上面的接触点会更小。此外，变形的减少将导致更少的氧化物的分离与挤出。因为金属接触区域的减少，这些机理影响下的组合会导致更高的接触阻抗。C72500的卸载特性也不同。它比马口铁具有更好的弹性，也经历更多的弹性变形，并随载荷的移动发生弹性回复。这会产生分离表面及打破接触点的趋势。正象所指出的那样，在低于60克力时接触阻抗的增加。以上数据表明，至少在微观上，当缺少残余应力去提供接触界面的机械稳定性时，单纯依靠冷焊不可能足以维持接触几何形状界面。这个事实会在以后被重提，并将在讨论卷曲连接时表现出其它的意义。   2.3.3　总论 在电子与机械方面，接触界面的粗糙模式都提供了解释。简单说来，接触界面形态论依靠(depend on)表面粗糙度、接触界面上的压力和接触表面的几何形状。表面粗糙度强烈地影响粗糙接触点创建的数目。接触界面压力，决定全部的接触区域，而接触弹性几何形状决定遍及(over) 粗糙分配的区域。这解释了为什么接触压力和接触几何形状是主要的设计对数的原因，并且这两个因素都将在6.2节中详细讨论。 第三章　　接触镀层   大多数电连接器使用接触镀层的原因有两个。首先保护接触弹片的基材金属不受腐蚀，其次是优化接触界面的性质，尤其是连接器的机械和电气性能。 　　首先应考虑腐蚀防护。大多数电连接器接触弹片是由铜合金制成，而铜合金在典型的电连接器工作环境中容易受到腐蚀，如氧化和硫化。实际上，接触镀层是用来封闭接触弹片与工作环境隔开以防止铜的腐蚀。当然，镀层材料在其工作环境里必须不被损害（至少在有害的范围内）。作为腐蚀防护重要功能的同时，优化界面是选择合适的接触镀层材料的考虑因素。 　　与机械性能有关的参数主要是影响镀层的耐久性、或磨损，以及配合力的因素。正如第二章所提到的，事实上这些要考虑的因素，是在相同基本效果下的两种不同的看法，即多点接触界面在相对运动过程中冷焊连接的分离。最重要的机械性能包括硬度，延展性和镀层材料的摩擦系数。所有这些性质要依镀层材料的内在性质及其所运用的工作过程而定。 　　电气性能的优化可从如下方面考虑，即对已经存在和即将形成的位于接触镀层表面薄膜的控制。如第一章讨论的，电连接器电气性能的一个主要需求是建立和维持稳定的连接器阻抗。为达到这个目的，需要一个金属接触界面以提供这样的固有稳定性。建立这样的接触界面需要表面薄膜能在接触配合的时候避开或分裂。这两种不同的选择明确了贵金属或稀有金属和普通金属之间的区别。 　　在不同程度上，贵金属镀层(如金，钯以及它们的合金)其本质对表面薄膜来说是游离的。对这些镀层来说产生界面的金属接触相对较简单，因为它仅仅需要接触表面的伴随物在配合时的移动。通常这很容易实现。为维持接触界面阻抗的稳定性，连接器设计要求应注意保持接触表面贵金属性以防止外在因素如污染物、基材金属的扩散以及接触磨损的影响。以上每个因素都将加以详细讨论。 　　普通金属镀层—特别是是锡或锡合金—其表面都自然覆盖有一层氧化薄膜。锡接触镀层的利用，是因为这层氧化物容易在配合时候被破坏，这样金属接触就容易被建立起来。电连接器设计的需求是能保证氧化膜在连接器配合时破裂，而在电连接器的有效期内确保接触界面不再被氧化。再氧化腐蚀，在磨损腐蚀中，是锡接触镀层最主要的性能退化机理。银接触镀层最好被当作是普通金属镀层，因为该镀层容易受到硫化物和氯化物的腐蚀。由于氧化物的形成通常也把镍镀层当作是普通金属。 本章将讨论接触镀层材料和电连接器的选择标准。在讨论材料之前先按次序讨论一下采用接触镀层的主要方法。   3.1镀层方法 　　有几种方法在接触镀层中得以运用。主要有三种技术： 　　．电镀（electrodeposition） 　　．喷镀（cladding） ．热浸（hot dipping）   3.1.1电镀 　　电镀是在连接器制造中，在接触弹片上加以镀层有最为广泛的使用方法。这里仅对其基本过程作一简要描述。更为详细的讨论可见于Durney和 Reid以及 Goldie的论述中。 　　典型的电镀单元如图3.1所描述。电镀是电镀液中的金属离子沉积到阴极(本图中是接触弹片)，其中金属离子可来自电镀液中的可溶性阳极，以补充沉积到阴极上的金属离子。在这个简单的单元中，沉积电镀过程主要是由溶液的化学作用和阴极表面的电流分布来控制。 　　原则上电镀过程的现象描述是非常简单的。镀层材料如金，沉积在底层基本金属不同的点上并且在电镀过程中在镀层的表面渐渐加厚。达到一定厚度时，镀层“完全地”覆盖在底层金属的表面上。围绕“完全”这个词的引证都是为了揭示这样一个事实，即镀层覆盖的程度由基材金属的表面特性和清洁程度以及电镀过程而定。电镀过程中最普通的缺点是在镀层上有很多孔隙（pores）。这种多孔性（porosity）和它对接触性能的影响将在后面的章节中讨论。 　　大多数电连接器接触镀层是在不断循环往复（reel-to-reel）的过程进行以充分利用这个过程的成本效用。在本世纪七十年代和八十年代初期，大量的努力都是为了减少电连接器镀层中金的使用量，因为当时其价格高达800美元。减少金镀层的厚度（如后面章节中将讨论的，利用镍底层是可能达到的）和控制金的数量及其在接触处的位置取得了极大成功。 　　接触镀层电镀通常有三种类型：完全电镀（overall），局部电镀（selective），双重电镀（duplex）。上述例子可见图3.2所示。正如所预料的，完全电镀（overall）是镀层完全覆盖在接触表面上。锡接触通常是完全镀层。对贵金属接触而言，出于对成本的考虑一般采用局部电镀（selective ）或双重电镀（duplex）。在这两种情况下，贵金属是有选择性的运用于可分离性接触的末端，而此运用不同于在永久性连接或其末端中镀层的运用。选择性接触镀层有用在永久性连接上的金镀层，但镀层厚度在每一末端可能不同。双重电镀（Duplex）通常都是镀在永久性连接末端的锡或锡合金。 应当注意到电镀材料的性能，尤其是贵金属，它与相同的锻造性材料（wrought form）有很大的不同。一般来说，电镀材料更硬而延展性较差，且比锻造性材料的密度小。其变动范围与材料本身和电镀过程均有关系。   3.1.2 喷镀 　　喷镀是指在高压作用下以机械结合的方法将两金属接触面结合到一起。通常有三种方式：完全喷镀（overlays），选择喷镀（toplays）和镶嵌喷镀（inlays）。其中完全喷镀（overlays）完全覆盖底层金属。选择喷镀（Toplays）仅仅有选择的覆盖底层金属表面的一部分。镶嵌喷镀（Inlays）是包覆金属的一种特殊情况，其接触镀层材料是有选择性的喷镀在开有沟槽的底层金属上。所开镶嵌喷镀沟槽可提供清洁的接触表面以促进结合的可靠性。连续不断的减少是为了得到条状金属以达到最终需要的厚度从而增强金属结合的压力。此外结合增强因为相互扩散过程而发生在热处理过程中。更多关于喷镀（cladding）方面的数据可见于Harlan。 　　镶嵌喷镀（inlay）和电镀接触镀层之间有两个主要的不同点。第一：镶嵌喷镀使用锻造材料，这样使得其接触镀层的材料性能与电镀材料的性能不一样。第二，与电镀相比其可用的材料范围更广。特别是贵金属合金如WE1(其中金69 ﹪-银25%-钯6%)以及钯60%-银40%合金作为镶嵌喷镀（inlay）材料是不能用在电镀过程中的。 锡和喷镀层或镶嵌层同样用在电连接器中，但并不总是用作接触界面。这些覆盖材料通常是在接触末端提供可焊接的表面。   3.1.3 热浸 　　在电连接器运用中，热浸仅用于锡和锡合金。在下面的讨论中锡包括锡合金—在大多数情况下，指锡60%-铅40%或 易熔的锡-铅合金。热浸包括将条形金属通过熔融的锡溶液使其表面镀上一层锡。其厚度控制是由不同的过程包括空气刀（air knives）及空气刷（air wipers）。典型的厚度，和厚度控制因此也由加工过程而定。 从一接触界面的透视图可以看出，热浸和镶嵌喷镀或电镀锡镀层之间最大的区别是在热浸过程中形成金属间化合物。甚至在室温下，铜-锡金属间化合物形成的同时，如果不小心热浸能产生大量金属间化合物。过多的金属间化合物不能提供可接受的接触性能且对接触的可焊接性能产生负面影响。　　　在热浸的时候将会产生金属间的厚度，为确保接触表面是事实上是锡而非金属间化合物，必须小心控制热浸过程中金属间化合物产生的厚度。   3.1.4 总结 采用三种方法将会在接触镀层的性能上产生不同的特性。电镀镀层通常比喷镀镀层更硬而延展性更差，很接近锻造材料的性能。热浸镀层仅限用于锡和锡合金。   3.2 接触镀层材料 接触镀层将分两类进行讨论，贵金属镀层和普通金属镀层。贵金属镀层包括金和钯及其合金材料。普通金属镀层包括锡和锡合金，银和镍。本节的讨论从贵金属镀层开始。   3.2.1贵重接触镀层 　　贵金属接触镀层是一种系统，其中每个组件执行复杂的功能。为了理解对接触镀层的需求，必须理解组件间的相互作用。 　　贵金属接触镀层包括涂在底层，通常是镍表面的贵金属表层。贵金属表层厚度一般在0.4至1.0微米之间而其镍底层厚度一般在0.8至2.5微米之间。现在也开始使用厚度小于0.1微米的金镀层。如上所述，贵金属表层的作用是提供一(film free)金属接触界面以确保所需要的金属接触界面。镍底层是用于防止贵金属表层大量的潜在性结构退化（potential degradation mechanisms），有些退化机理是源于接触弹片的基材金属，同时其它退化机理则是因为工作环境的影响。镍底层的这些保护功能将在后节详细讨论。如前所述，最常用的贵金属接触镀层材料是金、钯或其合金。 　　金．金是一种理想的接触镀层材料，它不但具有相当优良的导电性能和导热性能，而且几乎在任何环境中，都有良好的抗腐蚀性。因为这些特性，金在要求高可靠性电连接器的使用中经常采用。但是金非常昂贵，因为该原因要考虑可替换的材料。关于金的替换性材料将在以后讨论。 　　金合金．金合金保持了纯金的许多特性同时其价格却比纯金低的多。金合金的运用已得到了各种各样的成功。成功的程度依赖于其熔合剂（alloying agent）的特性及电连接器预期的工作条件。合金处理将提高金的电阻系数及硬度和降低金的导热性及抗腐蚀力。其总的效果（net effect）是电阻有微小的升高但在环境稳定性方面却有潜在的重要降低。金硬度的提高使接触镀层的耐久性有了提高，但是，金合金的性能在一定范围的运用上可以接受的，所以它们不断地被利用。Western Electric 发明的金合金WE1，是一种69%金—25%银—6%铂的镶嵌喷镀镀层。 　　钯．钯也是一种贵金属但是，除了硬度以外，其与上面所述的金的许多重要特性都不相同。与金相比，钯有较高的电阻率，较低的导热率，以及较差的抗腐蚀能力。除了活泼性，钯还是聚合体形成的催化剂（catalyst），在有机水汽存在时，浓缩的有机水汽（organic vapors）通过摩擦运动集合在钯表面。这样的摩擦聚合体或棕色粉末（brown powder）会导致接触阻抗增加。钯的硬度比金要高，因此提高了钯接触镀层的耐久性。钯还有价格上的优势所以已大量用于电连接器，尤其是柱状端子（post）。但是大多数情况，钯的表面还要镀一层厚度大约为0.1微米的金（a gold flash）。Whitley ，Wei 和 Krumbein对用金钯镀层代替金镀层进行了讨论。 　　钯合金．有两种钯合金运用在电连接器上。第一，80%钯—20%镍的钯镍合金，一种可电镀合金，通常其表面也要镀一层薄金。第二，60%钯—40%银的钯银合金，它既用作接触镀层金属也用作底层金属，其表面通常也镀一层薄纯金，钯银合金是一种镶嵌喷镀材料。 　　合金处理对接触阻抗的影响．合金通过两种方式影响接触阻抗。首先，它改变了接触阻抗的初始值。其次更重要的是，它改变了环境中的稳定性（environmental stability）。下面的数据说明了这一点。软金，硬金（金—钴0.1），钯，80%金—20%钯金钯合金及80%钯—20%镍的钯镍合金等接触镀层金属在“可接受条件（as-received）”下其接触阻抗随接触压力的变化数据（如图3.3所示）以及加热到250度在空气中保持16小时后的变化数据（如图3.4所示）。 　　首先分析可接受条件下图3.3中的数据。所有上述材料在接触压力作用下具有近似的接触阻抗。该条件下这些材料的硬度、导电率及耐腐蚀性等方面差异都不明显。在100克力作用下（典型的电连接器接触压力值），接触阻抗大约在0.6至2.0毫欧之间变化。尽管这些变化是很明显的，但所有这些数值对大多数电信连接器的运用而言都是可接受的。加热后的数据（图3.4所示）则显然不同。 　　软金、金钯合金及钯几乎不受温度影响。这些材料几乎不形成氧化物或者没有形成氧化物的倾向。实际上，在温度辐射降低硬度(H)和电阻系数(ρ)过程中由于退火（annealing），阻抗值只有轻微的下降。硬度和电阻系数的下降对接触阻抗的影响可以从公式2.9得知，将其重新整理为公式(3.1)：            　　Ｒc=kρ(H/Fn)1/2 　　　　　　　           （3.1） 　　但钯镍合金及硬金却表现出与之不同的特性，接触阻抗显著增加。在这两种情况下，接触阻抗的增加是因为表面氧化膜的形成。钯镍合金生成氧化物是因为合金中20%的镍。硬金中氧化物的生成则是由于钴硬化剂。钴很容易生成氧化物，甚至钴的含量很低(大约0.1%)，加热到250度很快会生成氧化物。氧化物快速生成的机理是钴元素在金中的扩散。由于钴原子随机分布在金原子矩阵中，无论何时钴原子到达表面，它很快就被氧化并附着在合金表面。最终表面钴的浓度远远高于其内部0.1%的名义含量值，钴氧化膜即导致接触阻抗的显著升高。因为该原因，钯合金很少用在温度高于125度的环境中。 　　这个简单的实验清楚表明了贵金属合金一个潜在的危险。金钯合金没有出现大的影响，如将要说明的，因为钯也是或相对而言也是一种贵金属。但金镍合金，因为镍强烈的氧化倾向，是一种非常不同的情况。合金的成份—特别是基材金属成份—在反应性环境（reactive environments）中对接触阻抗性能有很大的影响。 合成贵金属接触镀层．合成贵金属接触镀层包括一厚度为0.1微米（on the order of 0.1μm in thickness）薄金层，及覆盖的以降低在腐蚀性环境中合金表面活性的反应性表面。在电连接器上，通常在钯或钯合金表面覆盖一层薄金。金表面保持了金的贵金属特性的优点。钯或钯合金作为一种贵金属底层材料，其提供了大部分镀层的指定厚度。这些利用80%钯—20%镍的钯镍合金及60%钯—40%银的钯银合金的金属底层，由于与金相比钯或钯合金的价格低廉，其在电连接器上运用正在上升。   ．小结． 总的来说，对贵金属接触镀层而言，有必要保持镀层金属的贵金属特性以防止外来因素对镀层的腐蚀。如孔隙腐蚀，暴露基材金属边缘或磨痕的腐蚀，以及腐蚀的蔓延等。镍底层对减少这些腐蚀的可能性是很重要的。另外，镍底层提高了贵金属接触镀层的耐久性。注意到两件式电连接器的接触镀层，尤其是印制电路板上用于配合卡边缘电连接器的衬垫，应具有相当的性能。   3.2.2 普通金属镀层 　　普通金属镀层与贵金属镀层的区别在于它们的表面通常存在表面膜。既然建立并保持金属接触界面是电连接器设计的一个目标，必须要考虑这些膜的存在。对普通金属镀层设计要求是保证配合时膜的移动和阻止以后膜的形成，主要通过它们确保接触界面的稳定性。接触正压力与接触几何形状，同电连接器配合时的插拔一样，对含有膜的接触表面也非常重要。 　　将讨论三种普通金属接触镀层：锡，银和镍。锡是最常用的普通金属镀层。银镀层有利于高电流接触。镍所知道的是限于作为高温接触镀层。如前面所讨论的，镍作为贵金属镀层的底层非常重要。 　　锡及锡铅合金镀层．本章中，词‘锡’的运用打算包括广泛运用在可分离接触界面的93%锡—7%铅合金。第二种合金，60%锡—40%铅，主要用于焊接连接，本节将不作讨论。 　　如第二章所讨论的，锡作为可分离接触界面的运用源于锡表面大量氧化膜在电连接器配合时可能会移动（displaced）。这种移动是困为锡与锡氧化物的硬度相差很大。 　　但是，连接器的运用过程中锡表面的再氧化是锡镀层的主要退化机理。该机理，后面将要讨论的，通常称作摩损腐蚀。 　　银接触镀层．银因为跟硫和氯反应产生表面膜而被作为普通金属。硫化膜如果不破裂能在银接触时产生二极管的功能效果。电话机收发过程中的继电器运用（relay applications in telephony）会受到这种影响而致使银作为接触镀层的名声很坏。但是应该注意到，这些运用都是低插拔或者无插拔（low-or non-wiping），从而使接触界面对氧化膜非常敏感。电连接器配合时的插拔可减小这种敏感性。 　　银的另一个特性限制了它的使用。它能够移到接触表面致使接触间或印制电路板的衬垫产间发生短路（shorts）。Krumbein对移动过程提出了总的看法。 　　尽管银的两个性质，硫化物及移动，限制了银作为接触镀层的运用，但是如上所述，这种问题只是产生在继电器（尤其是无插拔继电器）而不是电连接器的运用上。 　　典型的银镀层厚度从3μm到8μm。通常，与相同厚度的金相比，银相对软一些（knoop 100），这也与它作为接触镀层的耐久性相对应。银表面的硫化膜也非常软且容易破裂。注意到因为硫化物的形成银不会经受磨损腐蚀是很重要的。氯化物与普通化合物不同其移动更加困难，因为氯化膜更硬且更粘附。包括硫化物与氯化物的腐蚀物的混合型膜可在有些环境里形成，这些膜非常坚固。但是在大多数条件下，银表面膜通过配合时的摩擦容易破裂。 　　银具有优良的导电性与导热性及高电流时的抗冷焊力。这些特性使得银成为优良的高电流接触的可选材料，在这些运用中应该考虑银接触镀层。 镍接触镀层．镍镀层因其表面紧帖的坚硬的氧化物而属于普通金属。镍表面氧化物可以被破坏，但是需要很大压力，因为镍氧化物的厚度具有自我限制特性（大约为100纳米），施加不到1伏的电压即能电解。利用镍的这种性能其可作为电极（battery contact material）。同锡相似，镍也非常易受磨损腐蚀。   3.3　选择可分离接触界面的接触镀层的考虑 基于镀层材料性能总的简要看法，本讨论选择性考虑电连接器上的贵金属镀层与普通金属镀层。膜处理，配合时表面膜的破坏以及避免以后膜的形成，对两种不同镀层的要求是不同的。对贵金属而言，保持其贵金属性以防止裸露的基材金属受到腐蚀正是我们所需要的。从这个目的上来说作为底层的镍的作用十分重要。而对锡镀层而言，防止磨损腐蚀则是首要的。   3.3.1 贵金属接触镀层系统的设计考虑 　　接触表面被履贵金属的存在，本身并不能保证a film-free 表面。为防止能够达到接触表面的接触弹片基材金属的蔓延，金属镀层必须连续并且有足够的厚度。贵金属镀层的中断能导致基材金属裸露部位的腐蚀。镀层中断可因整个制造和镀层过程的不同原因而产生。多孔性（porosity）已经提到，接触镀层磨损是基材金属裸露的另一原因。当然，多孔性与磨损非常不同，多孔性是制造问题而磨损则涉及到运用。无论是多孔性还是磨损原因，基材金属的裸露是令人担忧的（of concern），因为裸露的基材金属在典型电连接器的工作环境中可能受到腐蚀。接触弹片材料的基材金属成份蔓延到金接触表面能产生表面膜。正如将讨论到的，减少基材金属腐蚀的可能性是镍底层的功能之一。 　　进一步详细考虑多孔性。在电镀过程的讨论中，多孔性被描述为产生于电镀金属的运动（kinetics）。对金镀层而言，典型的多孔性对镀层厚度的曲线如图3.5所示。当然，这些曲线的形状及厚度同电镀金属特性及运用一样依赖于端子加工过程。图3.5说明了为什么电镀贵金属接触镀层厚度一般从0.4到1.0微米的一个原因，镀层厚度小于0.4微米，孔数增加很快。而镀层厚度大于1微米，孔数很少，从运用观点来看，其降低比率是微不足道的。 不必担心孔隙的存在，因为孔隙的位置不会实质性影响金属对金属接触面的产生。担心的是如果孔隙暴露了基材金属可能在孔的位置产生腐蚀。图3.6对该腐蚀机理作了阐明。腐蚀物可充满整个孔隙而且，更重要的是，如图示的那样，腐蚀物可从孔隙的位置移到镀层的表面。随着腐蚀物延伸到镀层表面，如果端子接近另一端子，例如相互摩擦，很可能干扰接触界面的形成或减少既定接触界面的接触面积。 　　多孔性对电连接器性能的影响是有争论的。根据刚才所述的机理，孔隙腐蚀可导致接触阻抗的升高，但多孔标准及其工作环境的相互作用决定该性能的退化速度和退化程度。镍底层对减少孔隙腐蚀可能性的作用将在后节讨论。正如所预料的那样，对处于混合流动气体环境中小体系电连接器的重要研究显示了电连接器性能随多孔性的退化趋势。但是并没有一个临界孔数标准。有许多高多孔性产品在预测最容易退化的环境里表现出良好的性能。后面将研究的电连接器中孔隙位置及其基座的屏蔽效果可以解释这种现象。 　　接触镀层的磨损，如所提到的，也可能导致基材金属的裸露。接触镀层的抵抗力，或耐久性决定于许多因素。包括： 　　．接触正压力 　　．配合间距 　　．接触几何形状 　　．磨损机理 　　．接触镀层 　　为了本讨论，我们仅考虑接触镀层的影响。其它因素对电连接器耐久性的影响将在第六章讨论。 影响接触磨损或耐久性的三个镀层特性是： （1）镀层材料的硬度； （2）镀层材料的摩擦系数； （3）镀层厚度。 随硬度的增大和摩擦系数的减少，在其它所列因素的联合作用下镀层的耐久性将会提高。耐久性也会因镀层厚度的增加而提高。同厚度对多孔性的影响一样，为既定的运用选择适当的镀层厚度也会影响接触磨损或耐久性。至于材料的特性，须首先考虑硬度的影响。 　　电镀的接触金镀层通常是硬金（hard gold），即金镀层包含有硬化剂（hardening agent）。从根据Antler改编的图3.7，可以看出与软金（soft gold）或纯金相比，硬金耐久性有了提高。但是，通过使用镍底层，电连接器的耐久性有了更大提高。 　　钴是最普通的硬化剂，但镍也是很有效的。正如前面所讨论的，硬化剂的可能负面影响包括提高了腐蚀敏感性，降低了导电性与导热性及镀层的延展性。 　　因硬化剂导致的延展性的降低也能影响电连接器耐久性能。两种影响应同时加以考虑。延展性的降低能减少在既定压力下接触面积的增加，从而减少了粘附性磨损。但延展性降低能通过提高镀层破碎及促进研磨性磨损而增加磨损。 　　镀层的缺点，无论是多孔性还是磨损，因为它们位于可能发生腐蚀的裸露基材金属上，是令人担忧（of concern）的。如所提到的，镍底层对减少这些腐蚀非常重要，下面将要讨论到。 　　贵金属镀层中镍底层的功能․贵金属接触镀层系统中镍具有以下几方面优点： 　　．减少孔隙及缺陷位置的腐蚀（pore and defect sites） 　　．阻止腐蚀的移动 　　．减少基材金属成份的蔓延 　　．增加延展性 　　我们将分别讨论每个优点。 　　多孔性．图3.8基本表明了镍在减少孔及缺陷位置发生腐蚀的可能性与效果。该图也包括图3.6图示的没有镍底层的孔隙腐蚀说明。两者间最重要的区别在于在孔位置处的裸露的镍将形成可有效密封腐蚀孔隙的氧化膜。镍氧化膜的厚度是有限制的，典型为的100纳米，没有填满孔隙，更重要的是没有移动。类似的效果在缺陷位置包括磨痕也会产生。这种孔密封机理的效果在高浓度氯的环境中因为降低了氯对镍氧化物的影响就已经提出。但是，氯浓缩的必要性并没有很好明确。在这些环境中广泛的测试表明镍底层对很大范围的电连接器产品的优点。 　　图3.9显示了孔隙腐蚀对置于模拟工业暴露环境的流动的混合气体（flowing mixed gas FMG）测试环境中金镀层片（coupon）的影响。测试环境由十亿分之几数量级（parts-per-billion）的氯，氢硫和氮的氧化物组成为主要污染物，加上温度为25度的潮湿（湿度为75%）空气。在孔隙周围出现环状腐蚀，结果腐蚀物出现图3.6所示的腐蚀移动。这些腐蚀物的存在，当它们蔓延到接触表面时，对接触阻抗有很大的影响。 　　来自于Geckle的图3.10，提供了一些有关腐蚀物移动过程特性的实例。这些数据来自暴露在上段所述FMG环境中的金/钯/镍/铜合金镀层片，各层厚度分别为0.1、1.5、2.5微米。位于图中间的缩微照片显示了孔隙以及孔隙周围的环状腐蚀物。图上面一系列X—光线图显示了孔隙通过所有层的延伸。因为金、钯和镍层中信号的缺少及没有缺少的强烈的铜信号，孔隙的存在是显而易见的。裸露的铜是腐蚀物产生的根源。显示了主要腐蚀种类（major corrosion species）位置的更低的X—光线图，暗示了氧气主要停留在孔隙位置，氯可以轻微地移动，但硫腐蚀物明确局限于环状腐蚀物范围内。移动种类（species）明显包括铜/硫腐蚀物。 　　腐蚀移动．图3.11表明了一种评估腐蚀移动的实验方法。在这种情形下的五种不同系统，自镀有有益接触镀层系统的铜合金片（coupon）冲制（stamped）一圆盘形状。冲制过程产生暴露的基材金属边缘，其在FMG暴露环境为可腐蚀位置，暴露后的腐蚀移动大致与上述描述相同。图中插入的数据提供了暴露在FMG环境一定时间后腐蚀移动距离的实验性数据。该数据揭示了两种所关心的效果。 　　第一，注意到金表面腐蚀物的移动距离比钯大，依次，钯表面腐蚀物的移动距离比镍大。 　　第二，镍底层将金和钯镀层腐蚀物的移动距离减少了一半。 　　这两种效果可以根据腐蚀物移动的运动学，以一种简单但又关联的方式加以简明。基本的假设是腐蚀物在光洁表面扩散得很快，这种现象可能是因为表面张力的影响，类似于湿润现象。腐蚀物在表面自由扩散以至于超出表面膜。光洁金表面不会产生氧化膜。钯是一种催化剂（catalytic）材料，易于在其表面形成一层有机薄膜，且在测试环境里是反应性的（reactive），这一点将在后面章节讨论。在测试的暴露环境里（in the test exposure），钯表面很容易形成氧化膜。镍，正如所提到的，也会形成一层表面氧化膜。在已知假设下，腐蚀物的移动符合数据所显示的模式，腐蚀物在金表面扩散得最迅速，钯次之，镍最慢，这就解释了上述所观察到的在三种镀层金属上腐蚀物具有不同的扩散速度的原因。 　　第二次观察，镍底层上腐蚀物的移动距离仅为金底层的一半，是因为镍阻碍了腐蚀物的扩散。在这种情况下，镍底层就象铜合金与贵金属镀层之间的栅栏。虽然镍能够阻碍腐蚀物的扩散，但由于镍层仅有几微米厚，腐蚀物很容易穿透镍层在金或钯镀层表面更快地扩散，在图3.11所示特定的测试条件下，可以想象镍底层的阻碍效果大约只有测试暴露环境的一半，这是简单的但基本正确的对实验数据的解释。 　　图3.12显示了在与图3.11采用的数据类似的测试暴露环境里腐蚀物在镀有金∕镍∕磷青铜镀层金属的冲制圆盘上的扩散。外边缘的膜非常厚，且其扩散距离减少。表面上的亮点为探测点，其上接触阻抗的测量以金作为探针，在边缘位置，其阻抗值大于2奥姆，试验预设的极限值成立。如图3.13显示的只有在接近底层中心时，才会出现毫欧级的阻抗值。 　　镍作为阻碍腐蚀物扩散对接触界面的正面（barrier normal to）效果明显受限于底层的厚度。但是，其侧 面的阻碍（lateral barrier）是非常有效的。图3．14提供了一个实例，所示端子完全镀镍且在其接触面上局部（selective）镀金。接触下部（the lower contact）也得到附加的薄金（gold flash）镀层（通常为0.1微米）。将端子置于同样的工业环境中。薄金镀层表面更有利于腐蚀物的扩散。当考虑到收容端子于基座（housing）的保留飞边结构（the retention lance ）的腐蚀区域是冲压产生的形状，这就是显而易见的（this is obvious when considering the corrosion around the area where the retention lance that holds the contact in the housing is stamped）。冲压成形区域的镀层金属覆盖范围（plating coverage in the stamped area）不完全是因为冲压过程中剪断处（shear-break）的粗糙度和这些凹陷处（recesses）不能被有效电镀。这些区域镀层金属的欠缺导致基材金属（铜合金）裸露，从而成为腐蚀源。腐蚀物在薄金接触面很快地移动而它们在全部镍镀层表面的移动是受限制的。该图表明当镍在腐蚀物移动方向上有足够的延伸时，它能够有效地防止腐蚀物扩散。 　　扩散．镍底层阻碍扩散的有效性可通过图3.15中的数据加以说明，该图显示了铜通过金，钯，银和镍镀层的相对扩散。同金或钯相比，通过一定量或更多的减少可以看出镍是一种有效的防铜扩散金属。相似的情况发生其它典型基材金属成份如锌和钡上。通过这种方式，镍有效的防止基材金属成份扩散到接触表面，在该表面基材金属成份可与其运用环境中的各种腐蚀起反应。 　　耐久性．镍也能改善贵金属接触镀层的耐久性。对金镀层的影响将被表明，但相似的影响也发生在别的贵金属镀层上。根据Antler改编的图3.16，表明了直接镀有2.0um厚钴—金合金接触镀层的铜和铍铜底层的耐久性典线。应该注意到检测样品包括平面取样片（flat coupons）和半球形附件（rider）。这些数据仅与几何形状有关而并不代表电连接器接触界面的典型数值。但这些数据的趋势与连接器的耐久性有关。 　　耐久性可用一磨损（wear）指标，即一种作为通过次数函数的基材金属暴露总数的度量（耐久周期(durability cycles)）来评估。耐久性指标为50意味着出现的(showed)磨痕(track)有50%裸露了基材金属。注意到铜基材的金镀层耐久性明显低于铍铜基材的金镀层。这种结果是由于铍铜比铜更硬。更硬的底层金属能够提供支持层来增加镀层的有效硬度，并由此而降低了在既定压力下的接触面积。因为磨损与接触点的破裂有关，正如第二章所讨论过的，接触面积的减少会导致磨损降低。 镀镍底层可提供一个比铍铜更硬的支持层，所以可以预测其耐久性有进一步提高。图3.17证实了这种预测，显示了磨损指针对镀有钴金合金的铜的配合周期次数随不同厚度的镀镍底层的变化。随镍底层厚度的增加，耐久性立即提高。   ．总结． 　　在这里，镍作为底层的优点概述如下： 　　‧镍通过其非活性氧化物表面，封闭基本孔隙位置，从而减少孔隙腐蚀的可能性。 　　‧镍在贵金属接触镀层下面提供了一层坚硬的支持层可提高耐久性。 　　‧镍可有效地阻碍基材金属成份迁移到接触表面，当基材金属迁移到接触表面时，会与操作环境发生反应。 　　‧镍也可有效地阻止基材金属腐蚀物的移动。 　　前三个优点是在金镀层变薄的同时保持相等的或是改良的性能。多孔性的影响已经减轻，贵金属不再用作阻碍腐蚀物移动，并且耐久性有了提高。　　最后一个优点是减少形成于其它地方、移动到接触界面并导致接触阻抗增加的腐蚀物的可能性。 　　这种特性(nature)的考虑突出了连接器镀层被作为系统来考虑的事实。镀层不同成分间的相互作用能强烈影响镀层性能。本讨论为下一节存在数据的解释提供了一个背景。 　　贵金属接触镀层系统的环境性能　本节将描述在模拟工业暴露环境的FMG测试环境里贵金属接触镀层系统的腐蚀现象。被评估的镀层系统包括： 　　‧0.75金(钴)/1.25镍/铜 　　‧1.8钯/1.25镍/磷青铜(PB) 　　‧1.8钯(80)-镍(20)/1.25镍/PB ‧          0.1金/1.8钯/1.25镍/PB 　　上述厚度单位都是um。底层金属的不同只能影响最初的接触阻抗的大小而不可能影响在暴露环境下接触阻抗的变化。 　　图3.18显示了在可接受条件(as-received)下如预先暴露于FMG环境，前三个系统(first three systems)接触阻抗对接触压力的数据曲线。使用软金探测参考，该图表明了九个探测点的数据分布。探测模式可以是随机性的或是有选择性的。在随机探测中，系统扫描表面，自动在九个随机点上探测。在选择性探测中，探测员(probe operator)降低探针，以便避开孔隙腐蚀位置并尽可能减少任何孔隙腐蚀或者腐蚀移动对接触阻抗的影响。在选择性探测模式中，可以评价镀层本身原有的腐蚀反应性。图3.18中的数据是随机探测获得的。注意到在100克力的接触正压力下，三个系统所产生的接触阻抗都在1mΩ的范围里。 　　图3.19表明了在同一模式下，暴露于FMG环境里48小时后得到的数据。孔隙腐蚀和腐蚀移动的影响明显表现在金与钯的数据上。得到的数据与在可接受条件(as—received)下得到的数据相比，有些数据没有显出变化，但是许多探测点已经明显受到腐蚀物的影响。在不插拔(non-wiping) 载荷的探测系统里，需要高压力来破裂腐蚀物。然而，钯－镍合金的数据则不同，取代两种模式下的阻抗数据，其同时有一个向上的移动和阻抗分布范围的变宽。这是表面膜的典型现象。 这种解释被暴露100小时后得到的数据所证实，如图3.20所示。金镀层数据仍显示了两种退化(degradation)模式。在这种情况下，钯的数据则显示了一种高水平的孔隙腐蚀。钯－镍数据继续有一向上的移动和数据分布范围的变宽。 　　图3.21绘制了作为接触压力函数的钯-镍合金九个调查点接触平均阻抗的曲线。图表清楚的表明平均接触阻抗随暴露点的升高。钯(80%)-镍(20%)合金性能不象是贵金属，却象是基材金属，这也就不奇怪在合金中加入20%的作为基材金属镍金属。图3.4显示合金暴露在空气中有相似效果。 　　图3.22包含的数据是测量了金和钯接触镀层经过相同的FMG环境后得到的。注意到到金的数据几乎不随时间变化。而另一方面，钯的数据显示了增大的变化和扩大的分布，尽管其比钯-镍合金的变化范围要小很多。钯则显示了对测试环境的反应。 　　这些数据表明了为什么在大多数情况下钯和钯-镍合金镀层要与一个薄的金镀层-约几十个微米的金，配合使用。从图3.23中可清楚看到，钯外面的金薄层对FMG环境下腐蚀的作用是很有效的。接触阻抗的大小和分布表明暴露在MFG测试条件下48或100小时几乎没有变化。当金覆盖在钯-镍合金上时也会出现类似的情况。 　　但是，应该注意到金薄层厚度可能不会完全覆盖钯的表面，所以薄膜效应就可能产生。这种可能性对镀有薄金层的钯-镍合金更有意义，因为其更有活性。此外金的缺失例如经过磨损腐蚀，将会导致其下层的钯的暴露。换句话说，覆盖有金薄层的钯和钯-镍合金容易受到机械磨损腐蚀退化的影响。对钯而言，摩擦聚合物的形成是其退化的主要机理。对钯-镍合金而言，经过氧化过程的腐蚀将会出现。 　　总而言之，环境测试结果表明，这三种镀层对环境固有稳定性按其减少的顺序为：金，钯和钯(80%)-镍(20%)合金。基本钯镀层外的金薄层可有效的减少这种变动。此外在连接器应用中这种固有稳定性的差别会通过三种作用得到控制。 　　第一，遮蔽此类环境下接触界面的连接器塑料本体的作用，有效的增加了相互配合的连接器对环境的稳定性。环境遮蔽的效果取决于塑料本体的设计。封闭式塑料本体将明显比开放式更有效，尽管卡缘塑料本体可提供如第一章所述的保护。 　　第二，如数据所示，与在连接器镀层中一样，电镀过程中的多孔性对其受腐蚀可能性有很大影响。钯和钯-镍合金镀层的电镀经验表明钯和钯-镍镀层的多孔性通常会比金镀层的低。这种作用减少了其固有稳定性的变化差异。 　　第三，受到腐蚀的可能性取决于其应用的环境。在典型的办公室环境下，仅有较少的硫和氯，实验表明腐蚀蔓延极小且孔隙腐蚀也同样减少。 这些考虑的因素减少了固有受腐蚀性差别的意义。在更多的腐蚀环境下，尤其是含有高浓度的硫和氯的时候，选择接触镀层时就应当考虑金所天然具有的贵金属性优点。 　　贵金属镀层系统中的耐久性考虑‧选择接触镀层另一个要考虑的因素是镀层的耐久性。在此情况下，经验表明其性能的顺序与在环境中相反，至少存在金薄层时是这样的。镀金的钯-镍合金比镀金的钯的耐久性高，而接下来镀金的钯比金要高。这种趋势被认为与镀层硬度有关。硬金的Knoop硬度为200，而钯和钯-镍合金的Knoop硬度为400或500。 　　以上关于金镀层的合格性解释非常重要，经验也表明由于钯和钯-镍合金镀层比金硬度更高而延展性更低，所以容易产生灾难性的易碎的破片结构。   3.3.2普通金属接触镀层的设计考虑因素 　　锡(包括锡铅合金)，银及镍被是用在连接器上的重要普通镀层材料。三者中，锡代表了大量应用的普通金属镀层，因此本节主集中对锡镀层进行讨论。 　　普通金属镀层与贵金属镀层的区别在于：普通金属接触镀层的设计考虑包括配合时普通金属接触镀层表面固有氧化膜的破裂/移动以及防止氧化膜的再生成。本节先讨论锡接触镀层表面膜的破裂，接下来讨论锡镀层的退化机理，磨损腐蚀。 　　锡镀层接触界面的形成，回顾前面所述，锡用作接触镀层源自于：其固有的氧化膜在连接器的配合中通过接触表面的机械变形能够破裂和移动。因此原有的锡氧化物在连接器插接过程中将因机械毁损而被挤破和取代。重新利用图2.16作为图3.24来引证表面氧化物破裂的机理。又薄又硬又脆的锡氧化物在负载下容易破裂。载荷传到锡镀层，由于其硬度小、延展性好而易于流动。氧化物裂缝变宽，里层的锡从裂缝中挤出来形成所需要的金属接触界面。然而不幸的是，锡表面的再氧化导致了锡镀层的主要退化机理：磨损腐蚀。 　　磨损腐蚀‧图3.25说明了磨损腐蚀机理。图3.25a描述了包括裂缝、破碎的氧化物和从裂缝间挤出的锡接触区 域的原始接触界面。图3.25b显示了接触区域移到新的位置例如在机械干扰作用下。新的接触界面是通过相同的破碎机理形成的。然而，先前接触区域暴露的锡被再氧化。如果这些动作重复进行，也就是说，如果镀层系统慢慢被磨损(图3.25c)，暴露的锡(摩擦腐蚀的腐蚀部分)连续不断的再氧化导致在接触界面形成一层氧化碎片（debris）(图3.25d)。这些碎片将导致接触阻抗的增加甚至露出电路。引起接触阻抗不可接受的增加必要的磨损循环次数取决于许多因素，包括运动方式和磨损距离（length）。对转化运动而言（translational movement），磨损运动只要移动几个到几十个微米单位的距离就足够产生磨损腐蚀。腐蚀磨损率依赖于磨损距离。磨损退化率依赖于磨损运动距离（length），因为氧化碎片必须经过磨损距离上的累积。大位移运动有效地将锡氧化物推到运动轫迹的尽头。同样原因，摆动（rocking）或转动能加快磨损，因为碎片相对比较集中。 　　对锡而言，产生不可接受的接触阻抗之前的磨损循环次数已经可以从几百到几万。镍在磨损次数和接触阻抗增加方面与锡很相似。Bare和Graham报告了没有镀金的钯和钯镍合金镀层经过几万次循环之后的磨损情况。他们还报告了镀金的钯和钯镍合金镀层经过几十万次循环之后的稳定性能。 如果存在不同的热膨胀，这是连接器经常发生的情况，磨损运动可通过机械干扰或热循环产生。考虑一下装置于印制电路板(PWB)的连接器。印制电路板，接触弹片与连接器绝缘本体有不同的热膨胀系数。由于热膨胀不同（mismatch）产生的接触界面压力取决于其不同的大小，温度变化，及连接器的长度（length）。热膨胀不同是连接器磨损运动最主要的来源。 图3.26显示了磨损腐蚀(因转动而引起)发生后的锡接触表面。图标黑点表示锡表面典型磨损腐蚀区域。图3.27显示了磨损点的交错区。图中可以清楚看到压损的锡和锡氧化物碎片。 　　图3.28显示了磨损腐蚀与增加接触阻抗之间的联系。图3.28的曲线通过缩微照片所显示的腐蚀点的接触阻抗的变化。一张氧气穿过腐蚀点的放大电子显微线迭加到缩微照片上，氧，表现为氧化物与接触电阻的关系非常清楚。 　　假如磨损腐蚀是锡接触镀层主要的退化机理，那么如何才能有效地防止或减缓这种退化呢？下面将讨论这个问题。 　　磨损腐蚀的防止‧预防磨损腐蚀主要有两种方法。第一种，也是最常用的方法是利用高正压力。这些正压力提供接触界面较大的摩擦力以防止磨损运动。然而，增加正压力有一个极限。当正压力增加时，连接器插拔力和耐久性都将受到相反的影响。锡因为比较软，有一极限耐久性且由于高摩擦系数—通常为0.7而表现出高插拔力，相对而言金的摩擦系数仅为0.3。 　　第二种，利用预防磨损腐蚀接触润滑。图3.29说明了使用预防磨损接触润滑的功效。显示的数据来自一个因热膨胀不同而导致的磨损运动的试验容器。热循环温度介于55到60度之间。升温是用来加速氧化和润滑的退化。在这些条件下，产生的运动位移大约为80微米，这是好的磨损距离。 　　“干锡”—干净的锡表面—的测试数据显示测试系统对产生磨损腐蚀有影响。它同时也表明磨损腐蚀可能是非常快的退化机理。在循环磨损数千次后，接触阻抗按二次方的增长速度增加。此外矿物石油润滑剂的测试数据也被列举出来。矿物石油润滑剂最初很有效，但是最终仍产生磨损腐蚀。该缺点与环境中的保护无关而与矿物石油本身有关。矿物石油的结构在温度升高时从接触界面流走并且挥发/退化。密封作用消失，摩擦磨损开始。涂有防磨损润滑的接触的数据显示在摩擦循环数千次后表现了很好的抗磨损性能。经过数百次的循环摩擦之后接触阻抗的下降是因为接触界面被磨光而增加了接触面积。 　　应该注意到除了摩擦腐蚀外，因为锡表面固有的氧化物的保护特性，锡接触镀层还提供了良好的环境稳定性。锡镀层在引起贵金属镀层腐蚀的FMG环境中表现出很好的性能。当磨损腐蚀可以防止(通过高的正压力来防止磨损，或者通过有效的接触润滑来防止氧化腐蚀)时，锡镀层在变化的工作环境和很宽的电流和电压范围内能提供稳定的接触阻抗。 　　锡铅合金，连接器中主要利用下面两种锡铅合金：含锡铅（93/7）合金和锡铅（60/40）合金（或者63/37，共熔焊剂成份）。锡铅（93/7）合金可用作可分离性连接和永久性连接，但锡铅（60/40）合金用作可软焊（solderable）连接。考虑成本和性能两方面的因素而使用低铅合金。在锡中加入铅可防止锡须(tin whiskers)的形成，锡须是电镀过程中固有压力作用下形成的细小而单一的水晶状生成物。锡须直接或通过切断和短路其它部件而导致连接器的短路(shorting)问题。用于可分离接触界面的锡镀层厚度介于2.5到4微米之间，取决于其应用的方式。 　　60/40合金或63/37合金的应用厚度介于1到6微米之间，取决于焊接过程。因为这些合金的硬度低，易蔓延性且增加了复杂的铅腐蚀物，所以它们一般不用于可分离接触界面。   3.3.3 接触镀层的其它设计考虑 　　接触镀层其它设计考虑有两种，两种考虑在一定程度上已经讨论过，尤其是对优点的详细讨论。即底层与接触润滑的应用。 　　底层‧两种主要使用的电连接器底层材料是铜和镍。如所讨论过的，镍的主要作用是作为贵金属接触镀层的底层以保持表面镀层的贵金属特性。铜，作为贵金属镀层的底层不能提供相同的功能。如所讨论的，铜是一种腐蚀源，铜蔓延能导致接触表面的退化。铜在提高接触镀层耐久性方面也不如镍有效。尽管存在这些限制，在不可接受镍底层磁性的应用中铜仍然用作底层。 　　镍底层的第二个重要作用与永久性连接有关，保证可焊性－－特别是为可软焊产品提供一种活性（a shelf life）。保持可焊性将详细讨论。 　　成功的焊接需要锡焊剂（tin of the solder）与基材金属衬底（base metal substrate）成份间产生金属间化合物。因为铜和镍与锡形成金属间化合物适合于焊接，因而作为底层以保持可焊性。保持可焊性的全部镀层系统包括底层和锡，金或钯表面涂层（coating）。不同系统分别有不同的保持可焊性机理。 　　涂锡或焊剂的表面是可熔的（fusible）。锡涂层在焊接过程中熔化并渗入到衬底表面产生的金属间化合物中。比较而言，金涂层表面是可溶解的（soluble），这意味着金完全溶解在焊剂里，金属间化合物在裸露的底层形成。金涂层实质是保护了底层的可焊性。钯在熔剂里溶解则慢得多，焊剂的结合通常是与钯形成。 　　焊剂（solder coatings）在保持其可焊性方面更加有效，就象其花费更少一样。因为它们是焊剂而没有引入新的退化机理。而另一方面，金则引入了新的退化机理，两种情况都是因为锡-金金属间化合物的形成。金-锡化合物易碎而降低了焊接的机械强度。熔化的金-锡化合物在焊液里的累积将最终降低焊接过程的有效性。因为这些原因，焊剂涂层是确保可焊性的更好方式。 焊接过程产生金属间化合物是必要的，但金属间化合物本身不是必须可焊的，且过量的金属间化合物会产生可焊性问题。室温下金属间化合物的增多可能导致可焊性降低并有可能提高接触电阻。铜-锡间化合物比锡-镍间化合物增加得更快。 　　许多铜合金是可焊的，且底层可以增强可焊性，尤其是镀在黄铜基材金属表面。黄铜表面需要底层以防止锌的蔓延，但这也可能降低了可焊性。 接触润滑‧接触润滑常完成两种不同的功能： 　　．减小摩擦系数 　　．提供环境保护 　　减小摩擦系数有两个益处。第一，它减小了连接器的配合力（mating forces）。第二，它通过减少磨损而提高了连接器的耐久性。 　　接触润滑通过形成“密封”阻止或减缓外界环境进入接触表面而能够提供环境保护。对锡接触镀层而言，接触镀层的首要功能是在防止磨损腐蚀方面提供环境保护。预防磨损润滑可以减小摩擦系数，但并非其主要目的。事实上，如果润滑不能有效防止氧化，摩擦系数的减小可能增强磨损腐蚀。摩擦系数的减小因为减小了机械稳定性而使接触界面更容易受到磨损。在没有润滑存在的接触移动中不会产生的干扰可能产生润滑性接触的移动。 　　对贵金属镀层而言，接触润滑是为了减小摩擦系数和提高连接器的耐久力，但是，伴随提供环境保护重要性的提高，提供环境保护成为有益的附加功能。 　　几个与接触润滑相关的考虑值得注意。对有效润滑而言，其在接触界面数量必须足够。测量和监测（monitoring）润滑的存在是很困难的工作。 　　连接器可能伴随有适当的润滑出售，但是组件过程（特别是，焊接或柱焊的清洗（post soldering））可能移走润滑剂。因而，需要第二次补充润滑剂。 　　润滑剂可能收留粉尘，如果在粉尘或污染环境中应用，可能会出现接触阻抗和耐久性问题。最后，润滑的适用温度可能限制它的应用。 润滑潜在的益处—减小配合力，提高耐久性，和在环境中的保护—是非常需要的，但是在评价接触润滑对给定应用的连接器的总的效果应考虑所提到的限制。   3.4接触镀层选择 　　选择适当的接触镀层决定于其应用所考虑因素的数量。包括： 　　．配合需要 　　．应用环境 　　．线路需要 　　贵金属镀层与普通金属接触镀层的区别在于其所考虑的每一性能。为了简单，以金作为贵金属的代表，而普通金属的代表则为锡。 　　为了为接下来的讨论提供一个背景，一些通常的注解是有用的。因为贵金属镀层比锡镀层更低的正压力要求，更高的天然耐久性，及更低的摩擦系数，在配合需要方面它们的应用更加广泛。因锡的硬度低，锡接触镀层需要高正压力来尽量减少潜在的磨损腐蚀且其耐久性较差和摩擦系数较高。最终的效果是锡镀层的耐久性较差而配合力较高。 　　所有的接触镀层在毫伏到伏和毫安到安的一定范围内都能提供可靠的性能。金与锡的区别在于阻抗的稳定性。磨损腐蚀也是主要的区别。产生于磨损腐蚀过程的阻抗变化能够导致在信号线路中产生噪音和在高电流应用中热散发的可能性。金接触镀层在很宽的适用条件范围内有助于保持接触阻抗的稳定。 　　应用环境必须考虑机械、热及化学环境。机械因素，如振动，影响连接器所需的机械稳定性。接触界面的移动将导致锡镀层的磨损腐蚀和使金镀层易存在外来的腐蚀物或污染物。热环境通过不同的热澎胀引起接触界面的移动而达到相同的结果.然而，高应用温度—大约105度—可能会因挤压松驰而使正压力降低。这种正压力的降低，锡比金表现得更隐蔽。由于本章其它部分讨论的外来腐蚀的各种各样的来源，环境腐蚀对金镀层有很大的影响尽管金具有很强的固有的抗腐蚀能力。锡除了磨损腐蚀外，由于原有的表面氧化物而表现出很好的抗腐蚀能力。 　　下面的讨论将更详细地考虑上述各个考虑因素同时指出金、钯、钯镍合金及锡镀层之间的一些区别。   3.4.1配合要求 　　两种配合要求必须考虑：连接器必须承受的循环配合次数和连接器配合要求的压力（配合力）。如第一章所提到的，连接器要求的循环配合次数取决于相互连接的层级。第2到4级连接典型的要求仅仅是几十次的配合循环。第5和第6级连接，因为它们提供输入/输出功能，可能需要更高的循环配合次数。另一方面，配合压力显示出相反的趋势。第2和第3级通常要求考虑最大的配合压力，因为这些层级的连接pin数倾向于比第4到第6级连接的pin数高得多。插座和两件式板对板连接器其pin数各自可能从400到超过1000。而几十到一百的pin数在第4到第6级连接中更为典型。 　　接触镀层及耐久性‧影响接触镀层耐久性的主要因素是镀层的硬度及其摩擦系数。贵金属镀层具有比锡镀层更高的硬度和更小的摩擦系数，因此贵金属镀层固有的耐久性也比锡镀层高。 　　耐久性不仅依赖于接触镀层，还与下列因素有关： 　　．接触正压力 　　．接触几何形状 　　．接触长度 　　．润滑 　　．镀层厚度 　　除了镀层厚度以外，其它因素在第二章均已经讨论过并将在第六章继续讨论。本节重点是讨论接触正压力，因为接触镀层的选择决定了连接器所需要的接触正压力。其它因素对贵金属及普通金属镀层来讲具有相似的影响。另外，镀层厚度对耐久性的影响也应该注意。 　　如前所述，锡镀层比金镀层需要更高的正压力来尽量减小磨损腐蚀的可能性。为了提供机械稳定性，镀锡连接器的正压力通常在200克力以上，比较而言，金镀层连接器只需50克力左右的正压力即可保证其接触稳定性。当耐久性的需求很重要时，耐久性随着正压力的增加反而降低的事实使金镀层相对于锡镀层的优势更加明显。 　　贵金属镀层耐久能力的差别并不是很明显，在3.3.1节，应该注意到贵金属镀层的相关特性，按递减顺序，为镀金的钯镍合金层，镀金的钯及金镀层。按这样的顺序，可以想到贵金属镀层是镀在镍底层上。 　　另外，镀层的耐久性取决于镍底层的厚度及其硬度，这些相互作用使得很难超过一般顺序得到连接器耐久性的确切值。  　　理所当然地可以说接触镀层的耐久性取决于镀层厚度，但这种耐久性与镀层厚度的关系也取决于前面提到的镍底层的材料性能，所以耐久性—厚度关系不可能是一直线。 　　有效的接触润滑能通过两种方式减少贵金属镀层的相对差别。润滑结果也能减少耐久性的差别。另外，能提供环境保护的润滑剂能减少固有腐蚀敏感度方面的差别。 　　影响耐久性的几何参数上面已经列出。连接器的设计在这些方面变化很大。接触几何形状和接触长度的主要影响是各自的磨损区域和磨损轨迹长度。所有这些对比的最终结果是连接器的耐久性根据试验的方法已被最可靠地评估出来。 　　接触镀层和配合力‧配合力取决于以下几个因素：  　　．接触正压力 　　．接触几何参数 　　．摩擦力 　　．润滑 　　接触镀层是通过影响接触所需正压力的大小亦即通过影响由摩擦系数决定的摩擦力的大小来影响配合力的大小的。先前已经指出，由于金镀层比锡镀层具有更低的正压力要求和更低的摩擦系数，因此金镀层比锡镀层具有更低的配合力。通过使用接触润滑可使摩擦系数的不同在一定程度上能得以改善。贵金属镀层的间区别很少用配合力而是用耐久性来表示。 注意到接触配合力和更重要的参数─连接器配合力的不同是十分重要的。当然，连接器配合力不仅依赖于每个接触接触时的配合力，也包括连接器绝缘本体以及连接器各部分的紧固力的影响（alignment of the connector halves）。连接器的配合将在第六章更为详细的讨论。   ．总结． 当应用需求包括高耐久力和高pin连接，那么贵金属镀层是首选的。有薄金层的钯（20％）镍（80％）合金镀层能提供最高的耐久力，接下来是有薄金层的钯镀层和金。锡镀层，因为其固有的低硬度和需要较高正压力来减少摩擦腐蚀的可能性，故锡镀层与贵金属镀层相比表现出有限的耐久性和较高的配合力。高配合力要求限制了具有锡镀层的连接器的接触pin数。   3.4.2 应用环境 　　在应用环境这个标题上要考虑以下几个因素。包括有机械环境，除了配合条件，还包括振动和磨损；热环境方面包括温度和温度波动；化学方面包括湿度以及一些潜在的腐蚀如氯化和硫化腐蚀。应用环境的每个方面都会对接触镀层的选择产生影响。 　　机械方面‧虽然机械配合是作用在连接器上的最常见的机械压力，但在连接器的整个有效期内还会受到许多潜在的干扰。机械冲击和振动是必须要考虑的其它因素。连接器暴露在许多潜在的冲击和振动源中。然而，无论什么样的原因，所关心的效果是因为干扰而产生的对接触界面的压力是否足于导致连接器两部分的相对移动。如果产生这样的运动，它们能常被限于一定的范围而归属于磨损的一种。磨损有两种令人担忧的结果：磨损损耗和磨损退化（fretting wear and fretting degradation）。磨损损耗是指在第二章中所描述的磨损过程，产生的结果是接触镀层受损。磨损退化包括摩擦腐蚀（fretting corrosion），相关的锡、镍、钯镍合金以及摩擦聚合物，相关的钯。 　　注意到潜在的磨损损耗是很重要的，因为它能引起镀层的穿透性磨损。连接器期望达到的预测配合循环次数不仅仅是连接器磨损方面的唯一因素，这种考虑使得薄镀层重要性增加，例如钯、钯合金和镍镀层外面的薄金层。因磨损所引起的薄金层的损失会导致底层的钯和镍裸露出来。换句话说，镀金的钯和钯镍合金对磨损退化机理是很敏感的。而对钯来说，摩擦聚合物的形成则是其主要的退化机构。钯镍合金或镍的磨损腐蚀是通过氧化作用发生的。镀有薄金层的钯和钯镍合金镀层已被许多调查者评价。大多数而不是全部的研究，已经报告过它的稳定性能。镍镀层表面金薄层的使用是近期的事，所以这段时间几乎没有什么证明经验。但是，可以肯定的是这些镀层金属对摩擦腐蚀非常的敏感。还应该注意到，暴露底层金属的其它机理的存在。例如：不完全的镀层，镀层的损坏如刮擦。 　　总而言之，与机械环境相关的主要论题与磨损损耗及磨损退化有关。锡镀层对磨损退化是最敏感的。然而，金镀层的选择应该考虑到这些机械性的影响。 　　热环境．热环境存在两个主要因素：应用温度和热波动。绝对温度能导致大量潜在的退化机理。热波动的主要影响是因为热膨胀的不同而经过的潜在性磨损。 　　重要的可能性敏感温度的退化机理包括腐蚀，扩散和金属间化合秀的形成。腐蚀率一般随着温度的升高而加快，尽管温度对水份的吸附效果能减缓这种作用。扩散速度也随温度的升高而加快，结果能产生表面膜。如图3.4所示。 　　金属间化合物（IMC）的形成对锡镀层是很重要的。金属间化合秀的形成速度随温度升高而加快。如果金属间化合物的形成消耗了锡而在接触面上的该点形成大量的金属间化合物，那么接触电阻可能受到影响。一般来说，保留在表面上的锡，能提供有效的接触。图3.30中的数据对此作了描述。图3.30显示了一个3微米厚的镀锡铜（tin-over-copper）以软金探针所测得的接触阻抗随压力的曲线。数据在可接受的条件下显示，一是增时处理使锡转化为锡化合物，二是增时处理和腐蚀后。IMC阻抗的增加超过了可接受条件下的值但但它对许多应用是合适的。虽然增时处理的时间足于完成从锡到金属间化合物的全部转化，但通常仍能发现残留在表面上的锡。如果表面被腐蚀物取代，金属间化合物本身的接触导致接触阻抗的额外增加。 　　总之，热环境能导致腐蚀退化，它也能影响贵金属的腐蚀速度和潜在地影响锡镀层的金属间化合物的生成。 　　化学性‧化学环境包括湿度及一系列可能的腐蚀种类，如氯，硫和氧。氯和硫对于贵金属镀层特别重要，而氧则对锡镀层很重要。如先前所提及的，锡氧化物对锡提供了来自于在其它腐蚀源(source)的腐蚀保护。 　　湿度对腐蚀率和腐蚀物水合度的影响是令人担忧的。经验也表明，湿度变化能影响腐蚀机理和腐蚀率。 　　贵金属的腐蚀机理在3.3.1节中已经作了讨论。为了更加完整(for completeness)，对贵金属镀层而言，应该注意到主要的腐蚀机理随环境成分特别是氯和硫的含量(content)的变化而发生变化。随环境恶劣程度(in severity)的增加，主要的退化机理由多孔腐蚀变化到腐蚀扩散(creep)。正如前面所说的那样，移动类型以铜－硫腐蚀物出现。 　　对于锡镀层，由于氧在磨损腐蚀中的作用，氧是主要的反应(reactive)类型。由于锡氧化物固有的保护特性，所以锡在FMG环境中性能良好。 总结‧总之，应用环境的考虑表明了接触镀层选择上的不同权衡，取决于化学方面，热，或是与腐蚀相关方面，何者占支配地位。在恶劣的机械环境里，因为磨损腐蚀而限制了锡的使用。但是，磨损损耗的可能性，磨损退化的产生，在恶劣的条件下不应该低估。高温环境要求对锡金属间化合物的产生和对影响贵金属镀层的蔓延/氧化的考虑。腐蚀考虑对贵金属和锡来说是不同的。而且，磨损腐蚀主要涉及到锡。随恶劣条件的增加，贵金属的腐蚀机理会随环境从孔隙腐蚀转变为扩散(creep)腐蚀。   3.4.3电路需求 　　从一个基本的观点出发，如果能创建并保持一个金属接触界面，那么在一个大电压和电流范围里的接触镀层间的功能(finishs with respect to their functionality)没什么不同。在这样的条件下，因硬度和阻抗系数的差别产生的阻抗的变化是相对较小的。镀层间的不同在于阻抗的稳定性，即接触界面对于应用条件下退化的敏感性(sensitivity)。自然地，对比罗简单的描述有几个限制因素。 　　电压‧在电连接器上，除了电能的应用，电压相对很低──只有几伏特。金属间的接触界面将以奥姆来衡量，即电压与电流间的关系是线性的，其斜率由系统阻抗决定。只有当接触界面不完全是金属接触面时(cease to be completely metallic)，也就是说，当它们开始退化时，电压的影响才显现出来。在这种条件下，电压可能允许薄膜的电性中断(breakdown)并由此而建立或重建一个较低的接触阻抗，这一现象有时称作自我复原（self-healing）。不幸的是，这种阻抗容易变化并且不可恢复，这也是为什么薄膜的机械破坏和薄膜形成的避免对电性中断是首要的。Wagar和Holm提供了电性薄膜中断特性的讨论，主要概括在2.3.2小节中。 　　本讨论目的关键点是导致中断的必要电压和的和因此产生的高变化性阻抗。电压的变化源自于薄膜结构本身的易变化性。厚度，组成和结构都依赖于薄膜形成的环境。阻抗的变化性产生于因为中断引起的导电区域取决于中断时间里电流的流过的事实。 　　Bock和Whitley提供了有关磨损退化的电流及电压决定条件的证据(evidence of this cu-rrent/voltage dependence with respect to fretting degradation)。 　　电流‧正如第一章所述，针对电流有两种基本电性应用：信号和电能。对于信号应用，典型的电流通常低于1A。而电能应用则可能需要几十甚至上百安培的电流。 　　对于信号应用，在可能引入系统的噪声或者数字式应用上可能的数据丢失方面，接触镀层退化的影响及在随之而来的接触阻抗的变化是非常重要的。Abbott和Schrieber研究了这一影响，而且Abbott是针对磨损腐蚀来考虑。根据这些著作，发生数据丢失的可能原因是，随接触阻抗的退化所产生的瞬间开路趋势的增加。在可引起贵金属镀层磨损腐蚀的条件下，也可以得到类似的结果。 　　在典型能量应用更高电流下，由于高电流下而产生的焦耳热和红外线，会导致额外的考虑。两个单独的(separate)问题值得讨论：(a)什么因素决定镀层所能承受的最大电流。(b)高电流时，接触阻抗的退化有什么影响。 　　接触镀层所能承受的最大电流由接触界面的温度所决定。接触界面温度反过来又取决于产生的焦耳热与从接触界面到接触弹片散热的平衡。热量的产生取决于镀层阻抗系数和阻抗系数随温度的变化率。而散热取决于热传导率和热传导率随温度的改变率。这些反应可能相当复杂，就象Williamson所讨论的那样。 　　为了本讨论的目的，注意到每一个镀层在其熔化时都有一特征电压，特征电压的大小，及依据前面提到的相互作用所能达到的比率就足够了。对于金，银和锡镀层，各自的熔化电压分别是430，370和130毫伏。 　　在实际上，通过接触界面的电压下降由电流产品(product of the current)和接触界面阻抗所决定。At a first cut，熔化电压能被用来指示镀层的电流容量，其公式如下： 　　　　　　　　　Vm=I*Rc        　　　　             (3.2) 其中　　Vm==熔化电压  　　　　I==电阻为Rc且即将发生熔化时的电流 　　     Rc==接触界面阻抗 　　在第二章已经讨论过，Rc取决于镀层和接触压力。对于一个确定的接触阻抗，通过熔化电流的减法，最大电流能够被确定。恒定的电流容量一般由温升条件所决定，而温升条件又取决于接触阻抗的大小，这一点将在第十二章中讨论。 　　按这个标准，锡具有低电流容量，然而金和银却是相当的。钯和镍则具有更高的熔化电压，但是它们所拥有的高阻抗和低效热传导性能制约了这一优点。 　　对于高电流应用，银由于自身的低电阻抗和高效热传导性能而占有优势。在电能接触中，银的弱点，污点和移动趋势并不重要。电能接触的典型的高压力(high forces typical of power contacts)使污点的影响降至最低。巨大的尺寸，分离和通常典型的电能应用接触间的绝缘减少了移动反应。 　　接触阻抗退化在高电流性能上的影响是明显与前述讨论有关。这样的退化更进一步促进了接近熔化电压。以这样一个观点，镀层对退化相对的反应有更大的影响在电能应用的镀层选择上。再次，锡由于自身的低的熔化电压和对磨损腐蚀的反应poses最大的危险。 　　电路参数综述．在理论上，金属间界面对电流和电压没有反应，但接触界面的退化连同接触界面阻抗的变化引入了一系列的考虑。   3.5　接触镀层概述 　　合适的接触镀层的选择包含了使用和功能需求的考虑。例如，由于对锡的高的接触压力需求和在装配压力及磨损的共同影响，高接触数量，高适配循环需求决定了贵金属镀层(参见表3.1和表3.2)。环境考虑是复杂的，包括在贵金属镀层上的多孔性和在锡镀层上磨损退化的可能性之间的权衡。考虑一个确定的应用，合适的镀层是在性能与可靠性间的“最好”的折衷。   表3.1　接触镀层的接触压力需求  镀层　   最小接触压力(g)　　　　　　　　评价  金　　　　　　25　　　　最小值由机械稳定性和污染物的转移所决　　　　　　　　　　　　　　　　　　                       　　　定。尤其是零接触压力(zero-force)条件必须                       　　　极力避免。 　钯　　　　　　50　　　 由于接触反应的作用表面薄膜的可能性。 　 　　　　　　　　       此外，金的评价也适用。　　　　　　　　　　　　 金-钯或　　      50　　　　薄金表面将是多孔的，所以需要使用钯。　　　 钯－镍　　　　　　　　    　锡　　　　   100　　　 100g是最小值。更高的值可用来解释磨损　 　　　　　　　　　　      腐蚀。但必须提供机械稳定性。　 　银   　　   　75　　     必须解释表面硫化膜。如用作电能接触则　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　      可能需要更高的压力。　　　　 　镍     　　300 　　更高的硬度需要更高的压力来确保破坏薄膜。　　　　　　　　   表3.2　接触镀层的镀层，硬度，延展性及摩擦系数 　镀层　　硬度(Knoop) (%) 　延展性范围　   摩擦系数常用值 　纯金　　　　<90               7-10            0.5->1 0.7 　钴金   　 130-200              <1   　        0.2-0.5 0.3 　钯　　     200-300              1+　           0.3-0.5 0.3 金-钯或钯-镍   200-300              1+             0.3-0.5 0.4 　银          80-120              12-19           0.5-0.8 0.6  锡 　粗糙度       9-12                 20            0.6-1.0 0.8 　亮度        15-20                  3            0.4-0.6 0.5 　93-7          9-12                 17            0.5-0.8 0.6 双列直插队　　                  　               0.2-0.8 直插封装 　镍          140-400                 5        　 0.5-0.7 0.6   第四章　接触弹片材料     　　铜合金在电气和电连接器上得到了很广泛的应用，其原因是由于它具有良好的传导性能、强度、成型性以及抗腐蚀性能。在本章中将从连接器使用者的观点，来对商业上可加以利用且其性能适合于运用在连接器上的合金进行其性能的对比。然而与连接器制造相关的重要性能也没有被忽略，因为它们同样也影响合金材料的选择。除了一些对连接器来说独特重要的方面，一般的关于铜合金的信息读者都可从参考目录1-4中得到指导。 　　如表4.1中所总结的，当选择合金材料时连接器产品的功能性需求如设计因素和材料性能之间的相互关系将会共同作用。合金的种类能满足产品的功能性需求以及其所分布的功能和如4.1部分中所总结的它们在碾磨过程中的总的方面。铜合金将会在4.2部分中由一般术语进行回顾，更专业的将会在4.3部分中的合金中另以叙述。   4.1 主要的铜连接器合金   4.1.1铜合金的制造 　　铜合金材料在运用于连接器的加工过程中，先是被加工成为薄片状的板材，然后切成条带形状以适应后面的冲压过程的需要。线材同样应用于连接器中，但是在端子组件和其它类型的连接器中这样的材料应用得很少。 　　图4.1描述了一个典型的薄板和条带铜合金的制造流程。此外在参考书目3中可以得到更详细的描述。合金线材以同样的方式制造但具有几个显著的特点：热挤压，轧制，和通过冲模的拉拔以改变热轧制和冷轧制在板材中的应用，以及退火处理过程经常用于这种产品。 　　溶炼和铸造 铜合金是最先用于可回收的商业应用的金属之一，这是因为工业上能用经济的办法将铜合金中的杂质维持在一个较低的水平。溶炼常用于电溶炉之中而少见于铜合金在真空和惰性气体下的溶炼和铸造过程中。　　碳层能提供一足够的保护。此外，利用真空或特殊的空气环境将会很大的增加合金制造的成本。 　　氢、氧和碳的污染影响由溶炼过程和热力学方法来平衡其溶炼层进行控制，其中氢能溶解于铜，氧能与铜和一些合金元素形成氧化物，而碳能与有碳化物组分的合金起反应。溶炼控制包括纯电解阴极铜和有选择的兼容合金碎屑。当一些纯组分如镍、锡、硅或起支配作用的合金如磷、铍、和铬合金组分增加时，都会引起合金成份改变。 　　板材锻造的制造过程是从不连续的铸造成大矩形横截面金属锭或薄铸片开始的。前述大金属锭的典型尺寸为约150毫米厚，300到900毫米宽，并且经过热轧制处理以有效的减少其厚度并消除在铸造过程中残余的铸造微片。另一种铸造方法是薄铸片(常用于窄条状铸造材料)，其典型的尺寸是约15毫米厚，150到450毫米宽，这些薄铸片将直接转到冷轧过程之中。选择条形铸造是基于经济上的考虑因素(热研磨需要较高的资金成本)以及合金的特性(一些铜合金不容易在热条件下工作)。 　　前述半连续且大的金属锭在铸造过程中垂直利用一个中空水冷的铜模，在开始时此铜模的下底部被封住。溶化的金属实际上并未象图4.1中所示的直接进入溶模。此溶化的金属通过一流槽及分配系统进入溶模，分配系统能通过一陶制阀系统控制金属的流量。底关闭部从溶模中降低，此时形成一稳定的固体外壳以容纳溶化的金属。铸造将继续进行直到一直冷(DC)金属锭形成以足够热轧制的长度。直冷(DC)金属锭处理的经济上的优点是几个金属锭可当溶炉中的溶化金属加入相邻的溶模时同时形成。此外接着通过热轧制在厚度方面的分离是一个快速有效的方法，尽管在轧制以前要经过重新加热。 　　水平方向进行的条状铸造将会产生呈盘旋状的薄片，此薄片的厚度是与冷轧中第一次分离的轧磨容易相配合的。薄片在制造中被切成盘旋状而不影响其铸造过程。铸造后的表面将会重新研磨加工以形成高的表面精度。锡青铜大多数情况下用于条状加工是因为其较差热环境下的工作性能，而黄铜可广泛用于热轧制中的大部分应用范围，一些合金制造商还将其用于条状铸造加工中。 　　热轧制直冷锭在几小时之内加热以用于特殊合金温度的需要，这样就能通过回动研磨将其从25～150毫米的厚度减少约10～25毫米。在热轧制中快速减少其厚度是可能的，因为其温度变化可使合金快速再结晶而不是硬化。典型的预热温度是从850到950℃。溶炉环境能有效的将氧化过程减小到中性的程度。此阶段形成的氧化物对其要求并不严格，因为现有的热轧制片将会在研磨中把表面氧化物及缺陷部清除。此外更重要的是热处理抹掉了纹理粗糙的铸造结构，这样就能达到均匀和较好的效果。 　　当热轧制完成后，而在水喷淬火及盘卷之前时轧薄片的温度大约在600℃左右。接着是用机械方法去除热轧制后的表面和边缘，此后合金片将要经过一系列的冷轧和退火处理以降低其表面粗糙度，其中退火处理能提高纹理的微观结构、促进其均匀性并得到所需的性能。 　　冷轧过程 经过制造商与一系列的轧制和退火加工相配合的冷磨处理之后将会得到一性能均匀和尺寸均匀重达1000公斤的盘卷片。分离轧制过程在处理中的厚度可利用前后安排的四高研磨(four-high mill)(其中两加工轧制由一大直径的回程轧制)，以及独立，回程研磨。非常普遍的是通过一系列的研磨后过程可以得到最后的厚度和性能(如已知的Sendzemir 研磨，其加工轧制是经过几组轧制实现的)大尺寸的厚度是通过接触计量器的盘旋长度来监测和控制，小尺寸的微观厚度是通过X-射线或伽玛射线来度量。线张力和轧制形状在轧制过程中可以调整以提供一均匀的条状尺寸。 　　退火冷轧可减少条状厚度面增加合金强度但同时也降低了其延展性。有效加工过程中的持续性需要在加工过程中的薄片在其中的几处通过退火处理娈软。退火过程中的变软驱动力是轧制变形过程中存储能量的释放。新的纹理是从变形纹理中成形的，并且其尺寸也同时增加。至新纹理处的延伸是允许增加的，因为在成型性和强度上需要更好的纹理微观结构，此延伸是由退火温度及持续时间的选择决定的。 　　铜合金的退火是在同一溶炉的不同盘旋片中进行的，其温度将保持几个小时当开放的盘旋薄片通过一退火溶炉(请参照图4.1)。每一退火方法都有其优点和局限。成批退火其侧重点在于加重的前末端处理厚度；通过镀层厚度处理的退火能达到更大的灵活性，并且每一种方法之间可以相互替换。 　　整炉退火处理是位于一可移动、类似锺形的内腔之中进行，且此内腔的下部封闭。在内腔的盘旋片是通过处于低氧和低湿度的氮或氮-氢成分的气体来防止其被氧化。而上述的气体在内腔快速循环。此内腔又被一更大的可移动的外部空腔所包围，以收容此加热源(燃烧气体或电加热)。内部锺形腔内的温度从250℃(一般用于纯粹的铜)到约650℃(用于一些铜合金)。表面质量是由被覆物所保持，而此被覆物可防止线圈之中包裹物的粘贴。残余的被覆物在之后的清除加工过程中将被去除。 　　合金线圈将在一到两个小时内达到均匀的温度，然后其设在一定温度并保持几个小时。通过去除了外层的容腔后退火的冷却速度将会加快。内部容腔及其内部的保护气体成分将一直保持到金属完全冷却，以避免其受到氧化。 　　线圈的连续退火可利用将薄片(sheet)通过溶炉而实现，此溶炉还包括有一燃烧室以通过直接接触来对金属进行加热。氧化可通过控制气体成分来减少。对如图4.1中所安排的垂直溶炉来说，板材通过一顶端封闭部进入加热区，并且其冷却是利用冲击气体在从下端封闭部退出前进行。板材在低于出口部的水中淬火。排列成一直线的酸清洗和研磨刷将会在板材被盘卷之前完成，而此过程位于溶炉线之末端。 　　氢气是从压缩的氨水中提炼出来的，它可与氮气混合在一起而不发生化学反应。使用这些干净气体的火炉除了可能水平放置并且具有更高的防止外面空气进入的密封装置外，具有与普通燃烧炉同样的特性，该火炉通常是在近似标准大气压下工作的。薄片 (sheet)被外部的热蒸馏瓶(retort)或者火炉内部自配的电加热组件加热升温。薄片(sheet)在进入大气前被喷出的气体冷却。 　　在退火过程中，铜合金氧化被减少到了最低点，但是它是不能完全避免的。氧化的程度及形成的氧化物的耐火性依赖于合金组成成分同保护气体发生氧化反应的活性。非合金的铜和黄铜抗氧化能力相对强一些，因为退火温度低并且由于热力学原因，残余的氧化物及用于降低气压的露点形成控制要求是适度的。合金氧化物具有很活泼的元素，如金皮或铝，在商业许可的环境中不能逃避被氧化。酸浸(Acid pickling)(包括稀释的可与过氧化氢反应而生成更具腐蚀性物质的硫酸)和研磨刷及抛光被广泛地应用于确保不会引起印刷工具不可接受的磨损的高质量表面和材料。 　　后处理合金型材制造的最后工艺－退火是相当关键的，因为这一步形成了一种材料以达到需要的性质。进行后续退火处理材料的厚度依赖于硬化合金以达到所需的强度或生成调剂的冷轧的次数。本节后续部分提供了冷轧选定合金的例子。为了提高合金材料的性能或降低内部残渣的弹性伸缩率，材料治炼过程常包括低温退火工艺。 　　为了消除片状材料的弯曲或提高其整个面板的平整度，片状材料可能在最后工序被拉紧抚平。拉紧抚平包括整块材料向相反方向顺序弯曲，啮全碾平，片状料板在拉力作用下同时保持平整。内部纲孔的数量在条料宽度各段会有所变化。来于内部纺织翻转和拉伸的反向弯曲的联合效应引起片状材料塑性变形并局部形成更好的配合邻接区域。片状材料中心处更多的塑性变形导致消除由转曲遗留的长边缘的皱形。延长边缘的水平装置用作消除中等宽度的弯曲。弯曲生产过程被设计来生产可能的最平的长条材料，该材料仅用于必要的更重要的场合。 　　被加工成宽度介于250mm至800mm的薄料最终要用装在合适位置的转刀将之切开并压在冲模宽度。最终冲压件被象包扎薄饼似地轻轻地包装以便于运输。   4.1.2标准的规定(standard designations) 　　合金组成. 合金元素的种类、浓度及其加入治炼过程的影响控制着铜合金的强度。合金强度值可通过几种途径来提高，这依赖于合金所包括的关键元素类型。由溶液的原子尺寸不同于铜原子尺寸的合金元素引起的不适当的张力和来源于凝结物的张力(strain fields)代表了两种提高合金强度的途径。固溶合金及凝结强化合金在用作连接器的合金中占大部分。二次散布合金的颗粒，比后者粗糙，代表了又一种高强度合金的来源。这些粒子有助于提高冷轧的强度效应。用于提高铜合金强度的机械治炼在本章的后续部分详细描述。 　　铜合金是根据其包含的重要合金构成物来分类的，因为这些重要的合金构成物对合金的性能有很大的影响。这些合金构成物包括含锌的黄铜；含镍，铝或硅的青铜；含不同数量锡的黄铜及镍与其它元素(如锌，硅及锡等)的组合物。表4.2列出了连接器上应用的几种主要的铜合金，该表还列出了这些合金名义上的组成物和北美用于区分这些合金的统一数字系统(UNS)的代号。每组中决定强度的主要元素都被列于表4.2中并用来标识合金的类型。 　　在统一数字系统(UNS)中，每一组的铜合金都用字母C开头，其后跟着5位数字(包括以铜或黄铜开头的3位数字系统)。通常只采用前3位或4位数字。(当尾部数字是零时，常将之省略以帮助铜合金的识别。) 　　统一数字系统(UNS)标准中，第一位数字介于1到9之间，并且数字1到7表示可锻铜合金(第一位数字8和9表示合金铸件)。非合金铜和高铜合金(含铜量至少在90.6%以上)被归入C1xxxx系列的一组。铜锌合金列于其后(C2xxxx系列)，以下依次是锡黄铜(C4xxxx系列)、锡青铜(C5xxxx系列)、铝或硅铜合金(C6xxxx系列)和镍铜合金(C7xxxx系列)等。后面紧跟的数字用来区别每组中的不同组成成分，如C23000和C26000分别代表含10%或30%锌的铜合金。表4.2省略的部分是几组含铅的合金型号，如含铅青铜C3xx系列，因为这些类型通常用于机械部分(杆状物和条状物)，而在连接器上用得较少。 　　调制回火　铜合金调剂的命名系统是由ASTM定义的，推荐的应用型号是B601。该系统是为了取代原有述语，即半硬性、弹性等，但是现在新旧命名同时存在。表4.3总述了用于铜合金(不论产品形式)的退火环境。 　　用作特殊合金的调剂是通过回火冷作硬化或特殊热处理等联合效应而生产的得到的。调剂是用拉伸强度和延伸率或者屈服强度来描述的，这些都是用扭转的方向来测量的。溶液强化合金和二次散布强化合金是由特殊合金的厚度通过在“准备加镀层”的回火环境(参考4.1.1节)冷弯曲而制得的。固溶强化合金和二次散布强化合金，将在4.1.3节描述，通常是用前述方法来说明的，然而，屈服强度常用于凝结强化合金。 　　金属是由许多微小颗粒组成的 (polycrystalline)，其中单个微小颗粒可以想象为泡沫。微小颗粒的平均直径被测量为介于沿着置放在穿过样品部分的冶金光泽上的随意分布边界的截距。微小颗粒在回火环境有等量退化 (equiaxed)的趋势，在冷轧回火环境中有延伸的趋势。微小颗粒的尺寸在某些场合被详细地加以说明，这已成为铜合金的习知记录。典型的铜合金微小颗粒直径介于5到25微米之间，包括在某些特殊情况下产生的优质颗粒和劣质颗粒。   4.1.3合金种类及其治炼技术 　　合金也根据其比纯铜更可靠的占优的冶金学机械特性在表4.2中进行分组。而且，每种合金不同地反应了制造某种特性(该特性能区别该合金)的化合物的过程。 　　铜合金占优的冶金强化机理包括固体溶解强化、二次散布强化和凝结强化等。一些合金通过多种途径化合强化。固体溶解合金指那些主要被广泛地溶解于合金里的元素强化的合金。当某一合金元素超出溶解极限时便产生了尺寸由粗糙(1微米以上)到中等大小(几十分之一微米)再到很细(几百分之一微米)的第二阶段的粒子。提高强度的最大功臣是尺寸为亚微米的细小颗粒。最大的颗粒一般来源于铸件。具有中等尺寸的颗粒来源于热机械过程。二次散布强化合金包括通过增加冷加工效应来提高强度的中等尺寸颗粒。凝结强化合金把其强度归功于由促进其形成的热处理特殊顺序生成的细小颗粒的特性。 　　固体溶解合金．含有锌，锡，硅，铝及镍的铜合金构成了大多数商业上的固体溶解强化合金。这些合金主要另外由一到二种元素组成。锡，硅和铝等额外元素提供了最大的强度。锌和镍必须加入比锡和硅更多的剂量以达到相同的强化功效，但它们有合金中也具有更大的溶解度。经过固体溶解强化的合金具有与铜相同的原子晶体结构并且当对某部分进行微观分析时会发现其呈现单一阶段微观结构。 　　把固体溶解合金象典型的冲压那样变成片状的碾磨过程包括重复多次的受控冷压过程和热压或铸造环境的回火过程。图4.2举例说明了由a read-to-finish的回火环境得到的固体溶解合金的典型冷压弯曲过程(该图描述了C260，一种含30%锌的黄铜合金)。这些弯曲用作定义在制造合金调剂中所需的弯曲强度值。就象厚度减小延伸性下降一样，冷压增加了合金的强度但也会伴随着更低的延展性。 　　单独的固体溶解合金元素的强度增加主要包括三个重要因素：（1）由加入元素的原子半径与铜原子半径不合适和相对铜的电子结合（原子价）引起的强度提高效应；（2）合金元素溶解的多少及（3）其对从冷压操作到最终回火条件的冷作硬化率的影响。图4.3列出了三种商业合金中的锌和锡对合金强度的单独影响。这些合金包括含10%铜的锌黄铜器(C220)和含5%铜及8%锡的青铜各为(C510和C521)，该合金常与非合金铜(C110)作比较。如果在回火和冷作硬化条件下对含5%铜的合金和含8%锡的合金作比较就会发现两者的强度比含10%锌的合金的强度提高的多得多。如果根据每种合金中合金元素的百分比含量来作比较，就会发现各种合金的强化效应具有更大的差异（由于更厚的锡比锌含有更低的原子百分比）。 　　图4.3显示，若达到相同的强度，8％锡合金所要求的冷轧次数较少。拉伸度及可成型性等其它方面因此随强化合金在高强度时更加可靠。因为铜合金需要更多次的冷轧，所以对锡-铜合金而言，冷轧铜达到相同的强度，其可成型性更差。各种合金各自的可成型性将在本章后面讨论。 　　固溶合金中的合金元素引入了其它替换性特性。其中商业性合金的导电性只有非合金铜的一半，更多关于合金处理对导电性影响的说明将在第4.2.1节讨论，对抗腐蚀性的影响将在4.2.5节将论。 　　通常来讲，固溶合金在中等强度作用下的可成型性较好，对腐蚀及导电性有不同程度的替换。与固溶合金形成竞争的是二次散布合金（dispersed second-phase alloy），它在中等强度作用下能够提供更好的导电性，并且凝结强化合金在导电性、强度及成型性有更好的结合。 　　二次散布合金该组合金通过加强对亚微米粒子而不是粒子冷处理的反应而具有更优的强度。冷处理会在包含有一定比例拉伸力的金属结构内部产生线性分离（linear defects）。相同数量的二次散布合金粒子与普通固溶强化合金（solid solution-strengthened alloy）粒子相比，二次散布合金粒子会促进更多欠缺的产生。因运行而产生的欠缺越多，通过它们间相互干扰所产生的连续变形抵抗力就越大，即增加了它们的强度。 　　二次散布强化对提高强度的作用是因为热加工过程而不是来自于铸造过程。选定可使合金元素形成固溶合金的临界退火温度，失去退火条件（strip annealing conditions）也须调整到不再溶化已处理合金元素而可以再结晶，尽管该退火方式也能用于再溶化所需要的合金元素。 　　对固溶合金而言，传送原料带的回火度由冷轧通过对经过退火的准备镀层的量的控制而得到。二次散布粒子同时也通过延迟粒子在退火过程中的增长而精炼微粒构造，因此而促进合金的强度及经常促进其可成型性。 　　图4.4显示了两种不同二次散布铜合金工件的硬化曲线。一种主要包含2.3%的铁及数量更少的磷和锌，而另一种包含了22%的锌以及更少的铝和钴（C688）。铜铁合金成份超过了铁在铜中的溶解度，且在退火过程中形成铁粒子。这些分散粒子的主要影响是提高经冷处理后的铜合金矩阵的强度。该影响通过比较C194与非铜合金C110的冷轧曲线而更加明显。大约不到0.01%的铁保留在固溶合金中，这些散布的铁粒子减小了铜的导电性。 　　铜-22%的锌铜（C688）含有钴-铝金属间化合散布阶段，该过程对精炼粒子到10µm以下尤其有效。相反，10到25µm的粒子是典型的第一阶段，固溶合金。零件的硬化率也固有意地加入C688粒子而得到提高。C688与锌铜二元合金及相同数量的锌（C240）的曲线比较说明了这个效果（图4.4）。对相关的那些经单独溶解而强化的二次散布合金而言，较少冷处理零件通常需要达到相同的强度，因此，二次散布合金在相对强度下通常更容易成形。 　　二次散布合金可提供很宽的导电率范围（请参阅第4.4.1节）。C688与该组其它合金相比其导电率更低，尽管其硬度很高。散布保持在铜基材合金中的铝与钴说明了为什么合金的导电率较低。从该组合金中同时将较好的成型性与适当的高强度结合起来是可行的，它们性能的结合接近于凝结强化合金的这些特性。 　　凝结强化合金可以在凝结强化合金中得到提高的过于精炼的二次散布粒子通过阻止线性原子的分离运动而直接影响合金强度（对经强化了的冷处理零件中的二次散布合金的主要影响）。它们的封闭空间，有时通过可伸缩的不适当扩大阻止产生塑形的影响范围弹性区域的辅助，对它们的强化效果是有影响的。这种不适当的弹性源于铜与合金元素之间原子大小的不同，因为后者原子簇在以铜原子为主的合金原子矩阵中形成了粒子。 　　仅仅有一小部分铜合金可以得到凝结强化。它们与其它合金相比突出的特性在于：在温升时合金元素的高溶解性，及低温热处理时更低的溶解性。通过持续的热处理充分利用它们的双重溶解特性，设计这些合金进程发展更精细的二次散布合金。因此，处理过程在相对的高温下通常包含料带退火，并伴随快速冷却，以尽可能地溶解溶合。该处理以后，通过低温且更长时间的临界退火（或增加处理）产生所需要的精炼凝结粒子分布。 　　商业上重要的凝结强化合金是与金皮或铭元素，或双层镍与银或锡，或铅的合金。尽管数量很少，凝结强化合金在要求更多的电连接器应用上仍是一组重要的合金，优良的成型性、对高温下伸缩的高抵抗力、以及良好的抗腐蚀性是该组合金的特殊性质，而导电性则可以从相对较低，与最强的铍铜相比，到适当较高的数值，与铜铭合金相比。 　　凝结强化（或提高寿命）处理可以通过电连接器的加工或通过合金的研磨进行。决定选择一种或是另一种取决于商业上对强度及冲压成型性这种特殊的热处理加工性能，及与室内执行该最后强化处理相关的成本对研磨处理合金的更高成本的要求。通过优化的处理溶液加上冷却条件可以得到最高的可能强度。其成型性随强化处理强度的增加而降低。因而，大多数对几何形状有要求的部件在材料处理前预先成形。凝结硬化处理前后的屈服强度如图4.5所示。冷轧回火热处理，而不仅仅是溶解处理，导致最后合金强度的增加。导电性及强度随铜原子矩阵在合金成份中因二次强化铍化物的形成而逐渐衰竭。 　　但更经常的是，凝结硬化处理过程通过料带加工作为最后的制程，在该状况下材料是指研磨硬化材料。这些研磨处理的回火在强度与成型性之间形成一种平衡；合金典型地被处理为在最高强度以下从而提供比完全凝结强化条件下更好的成型性。图4.5所示的这种研磨硬化回火显示了与合理有用的成型性的关系。 　　通过研磨硬化回火（mill hardened tempers）有两个优点：（1）潜在降低加工成本及（2）更好控制尺寸（dimension）。热处理过程中没有氧化物移动，附加的操作及挑选酸性物质处理即可以避免。在凝结过程中特定的体积变化可能改变尺寸。成形部件上残余的压力促进凝结反应的进行，同时拉力促进凝结产生的体积膨胀。这种影响在商业上通过对热处理时部件的压迫，或成型可补偿预期变形的尺寸而得到控制。大多数凝结强化合金，包括金皮铜和铜-镍基材合金，因为该理由而经常利用研磨硬化条件下（mill-hardened condition）。   4.2电连接器合金性能   4.2.1合金的选择因素 　　材料性能与电连接器的功能性要求间的关系可参阅表4.1所总结。大多数重要材料与功能相关的性能包括导电率、强度及伸缩系数。通过减少接触压力（伸缩现象）和抗腐蚀力来影响可靠性。可成型性及尺寸控制影响满足电连接器产品功能性需要合金的机械加工可靠进行的能力。 　　与导电性有关的决定性因素是电连接器是试图传输电流（通常几十安培）还是试图传输电信号（通常1安培以下）。正如所预测的，高导电率合金更有利于电能传输应用以避免产生大量的焦耳热，但在电压必须受预定的电路损耗时，它们可能对信号传输更为有利。 　　合金产生的强度及伸缩系数决定了电连接器配合时接触弹片的接触正压力。经常，对提高接触压力的有效性压力可通过变曲得到。从弹性臂端子（见第6.3.1节）得到的正压力（Fn）的关系可表示为： 　　　　　　Fn=αmodulus×deflection×αstress 　　　　　 （4.1） 　　几何上因素（如梁的宽度、厚度、及长度）使该等式最终成立。弯曲伸缩系数可遵循胡克定理提供的悬臂弹性而用于决定接触压力（这就是说，所加的弯曲压力不能超过比例限度）。该比例限度随着其它屈服强度的增加而倾向于增加，并因此受合金及其过程影响。因而，在给定材料厚度的情况下，高强度合金通常能提供更高的接触压力。施加压力超过其弹性限度会导致微结构的变形。最终结果是如果弹性移动仅仅通过伸缩应力产生则接触压力小于将要达到的（最大接触压力）。 　　连接器的可靠性需要连接器处于工作状态过程中，接触压力保持稳定，或至少不会低于所允许的极限值。当接触弹片处于长期的应力状态下时，即使应力是在弹性范围以内，微量塑性变形依然会发生。一些初始的弹性应力和张力可以被塑性变形所取代，这样会导致接触力减小。(一种解释为应力释放的现象)。冶金过程中的微塑性变形是受温度影响的，并且，当工作温度处于80－100℃时铜合金的微塑性变形会变得很明显。某些合金对温度的影响具有较高的抵抗力。多个连接器并联时，接触力的稳定性明显增加。为了让插入力处于一个合理的水平中，接触力可以被设计得接近于允许的极限值，这是为了保持可靠的电性连续性。然而，这种情况下的工作过程中，初始力的降低必须保持在范围允许的最小值。 　　对于可靠的连接器性能还需要满足一个额外的要求，那就是其合金的成份必须能够防止在工作环境中受到的化学腐蚀。如有必要，铜合金会镀上一层金属以增加对受污染的空气及化学物质的抵抗能力。 　　折弯加工是连接器成型过程中最常见的工步。端子料带材料存在一个在加工过程中不至于断裂的极限范围，该极限是选择端子合金及其回火方式的关键之一。在某些连接器的组成部分要防止伴随成型加工所生成的不规则的粗糙部的产生。如果镀层出现很明显的起皱现象，就会影响表层金属的连续性，但不至于一起基材铜合金的破损，所以这种起皱现象在连接器的特定部位上发生或许是可取的。 　　同样与成型加工相关的是对受成型过程或成型后热处理过程弹性回复影响的尺寸的控制。这可依照经验或者由铜合金料带供货商所提供的信息来调整治具，以实现对尺寸的控制。 　　在以下的章节里，将选择性的讨论合金的性质，尤其是前文所提到的对连接器性能很重要的性质。首先要讨论的是最具有区别特性的合金传导率及其强度。一般来讲，强度越高的合金其传导率越低。   4.2.2 传导率/焦耳热 　　铜合金的电性传导率是以一种独特的方式即占纯铜标准(International Annealed Copper Standard， IACS)的百分比来描述。在早于一个世纪以前当纯铜标准刚建立时，IACS百分数值是用来表示纯铜的纯度。随着冶金技术的进步，开发出许多具有商业价值的具有更高传导率的铜合金。C110的IACS百分比值为101，它是商业纯铜。纯度测量的基本原理是先测出其电阻率再经由除以172.4从微殴转换成IACS百分比值。连接器用的铜合金其电性传导率IACS值一般在5～95％范围内。IACS值小于30％的铜合金其传导率适合于信号及小电流传输的连接器。以传输电力为主的连接器其IACS值一般要超过70％。表4.4中列出了常用的连接器合金的传导率数值。与稳定的溶液相比，合金的传导率会随着各种其它金属成份的减少而增加。插图4.6描绘了向稳定溶液中分别加入镍、锡、锌三中杂质后所得不同传导率的曲线。每组合金曲线体现了相应商业合金的最小传导率主要取决于合金中的主要合金成份（当然亦包括含量较少的一些杂质元素）。某些元素如锡和镍的存在会使传导率大为降低。锌杂质对合金传导率的影响不是很明显。经完全退火处理的合金其电性传导率亦会降低，但这种影响较小（IACS值在2～3％范围内的较为典型），而经回火处理的合金其电性传导率受到的影响明显得多。 　　溶解元素的凝结会导致较高的传导率（如合金中镍与硅结合形成的硅溶液，铁从铜－铁合金中结晶出来）。插图4.7将连接器合金按照传导率（或强度）分类描述，同时也显示了这些合金各自的增加强度的不同方法。 　　铜合金的电性传导率及热传导率之间是通过LORENZ法则联系起来的，如插图4.8示。该法则从所建立的超导体金属模型上获得，它指出电性传导率与热传导率之间通过LORENZ系数相互联系。有了这一法则，合金的热传导率就可以通过测量电性传导率或电阻率而方便地得到。 　　在室温环境中，低的电性传导率对应于低的热传导率。可以推理得出，奥姆加热器用低电性传导率的合金作成，当给其加入较大电流时，由于其热传导率亦较小热量不易散发而产生大量热能。对于具有相同传导率及相关基本组成成份的合金来说，各成份的比例关系十分重要。 　　LORENZ系数与温度有关，而且各种合金成份的电传导率和热传导率与温度变化的关系不完全一致。举个例子说明，不含合金成份的铜，当温度升高时，其电性传导率比热传导率要降低得多得多，而对于铜的合金成份，其电性传导率随温度升高而降低的同时，某些热传导率却会随温度的升高而升高，LORENZ系数可在10～20％的精度范围内将热传导率从电性传导率（或电阻率）中区别出来。   4.2.3 强度 　　延展特性，包括屈服强度及弹性系数，作为区分各种合金成份的一种尺度而应用于特殊连接器的设计当中。由于连接器常见的应力形式为弯应力，因此弯曲应力也要作为合金的一种机械特性而附加考虑。拉伸及弯曲应力特性是合金加工中十分重要的考考虑因素。各种各样铜合金的弹性系数均有略微不同，弹性的恒定并不是取决于各合金自身受到加工过程的影响，而是由其材料形成时结晶组织所固定的弹性系数来决定的。 　　拉伸强度 按照拉伸特性所选择的连接器用合金按照其相关电性传导率列示于图4.7。图中多数结晶合金均运用回火工艺而获得380～700MPA的拉伸强度，其传导率一般低于35％IACS，而较为离散的合金其传导率却较大，一般在50％IACS以上，其强度只比那些集中点代表的合金略低。凝结强化合金和与其具有相同传导率的溶液强化合金相比其具有最高的强度，和二次散布合金相比具有较高的强度但是传导率较低。 　　弯曲强度/接触压力　对于最初的材料选择和对它们从供货商得来的规格，可延展性能是足够的。然而，弹性端子常常是悬臂梁，所以(and)弯曲应力—应变特性基本上是适用的。依靠材料性能上的限制是否被超出，或者当使用错误的应力应变数据时，接触压力可能被错误地预测。 　　如图4.9所示的青铜在接触弹片 (contact spring) 受压超过了性能极限时的拉伸、压缩和弯曲应力应变曲线。这些曲线的限制(Dert-ermination)在合适的指定的ASTM方法下会被覆盖。弯曲包括暴露表面的拉伸和压缩特性，并且这些特性间不存在必然性的对应关系。因此，弯曲应力应变曲线将对在缺少拉伸和压缩数据时接触压力的预测会更有益。如例子C260所示的那样，压缩曲线在强度上比拉伸曲线更高，但这个相对的顺序不能被认为是一般性的。 　　而且，对于冷轧制材料的管理，弯曲歪斜反应常常是相当直接的。如图4.9也表明了C260的各向异性。当弹性端子组件被对齐普通(或垂直)长条(strip’s)旋转方向时，可以期待从合金中得到更高的接触压力。而且在垂直方向上，拉伸曲线比压缩曲线更高，在横向方向上则刚好相反。长条在横向和纵向上的相对强度也由合金与制程所控制。 　　弹性系数　合金化处理和加工过程只是稍微会影响铜合金的拉伸与压缩弹性性能。手册中的弹性系数的数值范围是在高铜合金和锌黄铜直到C230上加压117MPa，和在C260与锡青铜上加压110MPa所得到的。例如对于镍银合金和C725加压124-138MPa，含镍合金比后者具有更高一点的弹性系数。低硬度合金也具有比其它合金更高的弹性系数，即对于老化回火的铍铜和C7205具有131-138MPa的值。 　　制程在两方面影响弹性系数。冷轧制回火的稳定韧化依靠合金和回火，易于增加弹性系数5-7MPa。制程也改变了弹性性能的方向。弹性常数直接是铜合金之类原料的三次方，不象导电率只是平方。例如C7025有经向和纬向上分别具有131MPa和140MPa的弹性系数。   4.2.4应力松弛/接触压力稳定性 　　对于连接器可靠性能的关键是当它在工作时，它保持电性导通(transparent)。然而，当受拉伸应力时，来源于在弹性端子原料里多微孔性的接触压力的降低最终可能导致不可接受的接触阻抗。因为发生多微孔性的制程是由于受热引发的，所以高耐用温度导致它们发生不同程度的变化，这依靠于合金和它如何制成。 　　如果端子初始变形超出了弹性变化范围，那么伴随任意的原料畸变，接触压力在第一次插入后迅速的发展取决于弹性端子的弹性回复。当使用时，弹性变形随弹性原料依靠时间和温度的多孔性畸变会部分被回复，从弹性变形到塑性变形的变化结果会降低接触压力。这种变化称之为应力松弛，它随温度的增加而增加。然而应力松弛不同于发生在固定不变的端子弹片上的随时间变化而应力降低的现象，而应下意识地联系到在装配载荷下随时间变化而引起的几何形状的变化(应变)。 　　许多合金在室温条件和微小温度变化情况下有足够的实用性，但当工作温度增加到80--100度时，表中可利用的合金性能会受到更大的限制。应力松弛的阻抗会受固溶合金元素和其它对金属上微量塑性畸变的阻碍而变化，比如细微的二次散布合金颗粒和凝结合金颗粒。 　　检测不同铜合金的相对应力松弛的阻抗常常是在悬臂弯曲中进行的，最初是在检测设备中施加50%到100%的屈服强度压力。按最初在制订的持续曝光条件下保持的弹性应力的百分比数来指定稳定性标准。C510的应力松弛性能如图4.10所示。当以对数坐标来描述时，应力保持数据是线性对应的。这个线性特性允许用推断法去预测更长远的性能。检测常常持续充足时间以确保应力松弛特性保持线性或者包括任意可能发生的直线斜率的变化。 　　图4.10中的例子也表明冷工作的数量常用在取得强度上的影响稳定性(更大强度的回过火的H08的稳定性比H02要低)。在某些场合，因为具有更好的长期稳定性，低温回火能在端子上提供更高的承载能力，甚至低温回火能使应力低于开始状态。同时也应该注意到其强度明显低于初始状态，在第一小时内，初值下降得很快也表明了这一点。 　　应力松弛特性也可通过最初在漫延-破裂上发展起来的雷斯密尔方法而得出。这种方法需要在大范围内的雷斯密尔参数来决定。该参数被用来限制一个控制曲线，从而估计保持在任意时间和温度组合条件下的压力。该方法的一个缺点是假设了简单机理反映了在一个决定参数的温度范围里的应力松弛。因此，从这种方法中可能得出错误的结论；由于应力松弛特性受温度影响，是以该方法的另一缺点仍在争论之中。 　　低温热处理能提升应力松弛阻抗。这种处理主要目的是用来有效避免强度的改变，就象在调质退火的轧制H08的回火而产生HR08一样。稳定性也能是具有方向性的，随横向和纵向的性能不同而在退火中变得更明显，或经冷加工而使该差异更为明显。 　　在某些特定的温度下，一些合金元素能比其它元素更具有影响力。这种影响的层次相关于同样的因素，即列在前面由溶解元素加强的因素。锡在增加了基体百分比后有额外的超过锌的对应力松弛的影响力。如图4.11所示，一种含锡8%的青铜合金(C521)比含锡30%的青黄铜(C260)具有更大的应力松弛阻抗。同时要注意到锡青铜具有更高的硬度(730MPa的屈服强度--H08)相对于C260黄铜(590MPa的屈服强度--H08)。 　　由不同合金元素所提供的温度稳定性也不同。锡青铜能比锌青铜用在更高温度的场合。如图4.11所示，C260处在边缘，因为保持在1000小时(折合5周的使用时间)后，只有低于75%的应力存在。青铜在使用温度上受到限制，不得超过75至100度，而锡青铜和锡黄铜可达125度。一些散布层次的高强度合金比黄铜具有更好的稳定性，如图4.12所示，但C151是例外的。 　　在从中温(105-125度)到高温(150-175度)的最大的应力松弛阻抗对于结晶合金是可利用的。以150度调质退火的锡青铜与铍铜的比较来看表明了这种影响(如图4.13所示)。两种所示的回火合金都具有相近的导电率。   4.2.5 成型性 　　对于选择合金材料重要的是在冲压成型过程中能够获得所需要的几何形状的能力。按治具的半径弯曲90度或是更大的角度，也同时降低厚度来帮助弯曲定位，都是连接器冲制上常用的。当合金充分退火后，绝大多数成形是可利用的，但在此条件下，强度会降低。固体溶液的冷轧制和散粒硬质合金增加了强度，但却消耗了成型性能。铸造方式有效地改变了回火性能，这可能由于它造成的加工硬化而损害了成型性能，或者由于其厚度降低而导致有助于成形。 　　在它们制程中的大量的冷加工所发展起来的更高强度的回火结构也可能在一个方向上比在另一个方向上表现出更好的成型性能。当可能时，最大的成形能力出现在弯曲轴线垂直于卷曲方向。这个方向是首选的，因为它常常比另一方向的回火能具有更好的成型性。在这个方向上的成形称之为径向的，因为它指出了随弯曲的进行金属流动的方向。对应到平行于轧制方向的弯曲轴线的成形则称之为纬向的。纬向弯曲上最小的可接受半径能比经向上更大，特别对于高温回火的固溶合金和散布强化合金。在连接器壳体部分中的90度的弯曲常常朝向窄条导向以利用纵向的成型性。窄条能形成而不产生裂缝的冲模最小范围为由设计者和制造商所共同支持的合金窄条所定义，其中的裂缝定义为一不可接受的粗糙表面。材料的工作性能可以从弯曲的最小弯曲半径(MBR)而得知，由窄条厚度(t)所分割。较小的MBR/t值表明有较好的成型性。 　　图表4.5中总结了所选择合金的相关成型性。此图表表明了名义上可拉伸强度其其每一合金可接受的最小弯曲(MBR/t value)在其纵向上和横向上从1到1.5。在冲压工具中的实际性能与此有些不同。此图表中所示的强度在纵向上较高，这样与通常此方向上的成型性较好是一致的。此图表同样表明了铜合金的一个与其独立的强度来源相关的总趋势。此固体溶解强化合金可提供一较高的强度，从而能使规定的最小成型性比固溶合金以及散布强化合金要小，因为此成形过程与其冷工作下性能的相关性很小。与此相似，在一组固溶合金中，如C521，其溶解强度为8%时能提供比C511更高的强度，而C511只有C521含有锡的一半(4%)。同样地分布强度合金有比纯铜高得多的强度。 　　不要忽略在固体溶液中的合金元素其强度可在传导过程中得到增加。凝结强化合金能提供较高的传导性且与其它类型的合金相比在高强度下有更好的成型性。灵活性可从铜模的溶液强化的联合中得到，而此铜模与冷加工和沉积变硬结果将导致强度、研磨过程中的成型性之间的独特的平衡。此平衡也在图表4.5中得到反映。   4.2.6 抗腐蚀性 　　铜合金通常对化学侵袭有较强的抵抗力，所以好经常在没有保护镀层的情况下使用。当在苛刻的环境下使用时，如自动化应用中，铜合金通常在其表面上镀一层锡或锡料以提高对腐蚀的抵抗能力。在这些实例中，锡或锡料镀层也用于接触镀层表面。铜合金在其它的应用性能中所覆盖的东西更为详细。 　　作为连接器应用的一个重要性能，是其局部微观结构的压力腐蚀。可以将其描述为腐蚀性的环境和高弹性的外部拉压力，将导致对其的裂缝产生和最终失效。此压力的存在有一外部根源，如产生于连接器配合过程中，以及内部根源(如来自保持导引线的成形及弯曲的残余应力。)局部失效模式将在其作用显现于表面时被觉察到，并且其没有显著的塑性变形。此裂缝路径位于微粒之间(其可相互作用)，而裂缝可通过纹理结构进行传播。此裂缝可通过合金与媒介进行传播漫延。 　　要出现压力腐蚀就必须有如下三个条件的存在： 　　1.合金必须易受到压力腐蚀的影响。 　　2.其工作环境使得此特定的合金易受影响。 　　3.拉伸力的存在。 　　此相关的几种合金对用于连接器的可接受性如图表4.6中所总结。此指数用于在不同环境下整合其性能的分类。这些工作环境的范围从轻-中等的工业环境到航海的条件以及最恶劣的暴露于潮湿的氨气中的条件下。此指数成线性分布从0到1000。 　　最易受保护的金属包括锌，C260包含有30%的锌是最易受保护。其作用是产生限制以达到一个良性的环境。而如只含有15%锌的C230以及含有仅仅较低锌和附加的镍(如C770)，其可显著的增加对压力腐蚀的低抗能力。锡-青铜，镍-硅和铍-铜合金都是具有较好的抗腐蚀能力的铜合金。铜-镍合金和高铜合金对化学侵袭产生的裂缝将有很重要的保护作用。   4.2.7 可焊性 　　大多数铜合金能被锡、锡－铅合金、以及其它不同的常用于低温合金的焊料焊接而用于电气和电子应用。从比率图系统中此相关的可焊接能力表明，对一特定的流量来说其概括了锡和焊料层的性能特性，并且与相关的容量可消除任何位于材料上的污垢。 　　内在的焊接性能通常由可视的样品检查来决定(经过军方标准和美国材料实验协会规定)，其通常是溶化并浸入焊料之中经过一特定的时间。一级品为完全被焊料所浸湿，而三级品的焊接性为只有50%的被浸湿(残余物显示在焊接薄膜上有铜-锡合金的金属间化合物的产生)。焊接性能在三级以上或更好的合金适用于大多数的连接器应用。电子应用中溶剂的侵入其范围从适度的树脂(如R型)到逐渐具有活性(如RMA型)。与我们所期望的一样侵入更多的焊料将会导致更好的焊接性能级别。 　　表4.7显示了当使用一种中等活性的助溶剂时所选合金固有的可焊性。大多数电连接器合金都具有1至2等级的可焊性黄铜的可焊性比其它合金差。在可焊性要求很高时，具有第3等级可焊性的材料是通过在镀锡或焊剂的条件下获得的而不是在溶化的焊剂里加入助溶剂而制得。 　　锡和焊剂铸成品被应用于铜合金条以确保由该材料制造的成品具有良好的可焊性并保持相当时间及提供抗腐蚀能力。现在可生产数种这样的铸成品：这些成品被机械地磨擦或被空气刀切出一条溶化的路径，就象电镀和回流那样(被加热或高温油浸泡溶化)。每种铸造成品都具其自己的内部金属厚度特性(来自于底层铜合金与锡的反应)，合金厚度边界和公差许可的制造厚度。 　　在室温仓库中，即使是冲压后没有内部金属阶段的电镀锡铸件在一个月后也会生成20～30微米厚的内部金属层。内部金属阶段的形成也表明底层合金与锡或焊剂铸件之间发生了金属原子的扩散。合金成分扩散到铸件表面并且当这些成分与硫或氧等发生化学反应而生成抵抗薄膜时，合金成分扩散就会使铸件的焊接性能下降。一些合金的成分很可能扩散到合金表面而形成诸如锌的反应薄膜。Steam-aging和高温烘烤测试被用于判断锡铸件的质量。接触电阻的增加和焊接性能的下降是内部扩散和合金成分与周围大气反应的结果。   4.3特殊合金性质   4.3.1 稀释铜合金(Dilute Copper Alloys) 　　稀释铜合金又称高铜合金，指合金元素含量低于4%的铜合金。作为一组，这些铜合金在所有铜合金中具有最高的导电率和极佳的在一般压力和高压力下的耐腐蚀能力。在足够的成形能力下的拉伸强度被限制在低于大约500Mpa拉伸强度，因为其拉伸强度主要由冷卷(请回忆前面提过的主要用于降低成型性能的冷作硬化)。该合金组在相对零温度到80摄氏度(华氏176度)之间提供了很好的对压力松驰的抵抗能力。 　　表4.8总述了合金元素含量低的铜合金的典型特性。按合金中合金元素含量的比率来计算，上述铜合金的相对导电率有所下降。合金元素自己也极大地影响了传导性能，这是其内部电子结构因素的结果。C151是一种也具有最低的合金含量(含0.1%左右的锆)和最高的导电率的二元合金。该合金通过铜锆的易扩散以与冷作硬化结合而生成第二阶段颗粒而使其强度提高。留有固体溶解物里的锆元素含量不超过0.02%。C151的最重要的性能是在高温下仍具有很高的抵抗压力释放的能力，尽管其合金元素含量很低。该合金由于在高温下具有比其它高铜合金，包括凝结强化合金，明显的优良性能，因些该合金等级较高。C151在150摄氏度的高温下保温3000小时后仍具有其初使87%的压力；然而强度比凝结合金要低得多。 　　镁和磷在C155中要反应生成磷化物。这些颗粒在通过从溶液中除去镁和硫而达到高导电率的同时增加了冷作硬化的效应。该合金也需要加入微量的银以在低温回火时提高防止软化的能力。C155应力松弛阻抗在高铜合金中是适度的。 　　低级别的锑和锡(含于低氧铜或磷再氧化的铜) 也能增加软化抗力，如C1443和C145。控制残留的氧对避免生成防止锑元素提高软化阻力的锑氧化物藉非常重要的。这些合金的导电率是很高的，因为留在溶解合金里的合金添加物的含量是很小的。这类合金的压力释放过程并不特别。 　　C194、C195和C197代表了一组基于钢和磷组成物变化的合金。强度提高是因为当这些合金被冷压以生成调剂时用作增加冷用硬化效应的磷化物的扩散(含有钴，钢和镁元素)。强度和导电率是由添加于C195的溶解强化的锡来均衡的。在该组基于合金的磷化钢中，C197提供了最高的导电率，因为C197含有在其形成过程中生成的混合钢和磷化镁。   4.3.2锌、锡及改善黄铜(Modified Brasses) 　　铜锌合金在用作制造工作温度(环境温度或焦尔热)适中且成本低的电连接器的铜合金中最出名。在这些合金中，C230(含15%锌)和C260(含30%锌)恐怕是最常用的了。在相同的成型能力下，C230的强度并没C260的高(如表4.5所示)，但是这些低合金组成物提供了更高的导电率。锌黄铜合金(包括C230和C260)的压力释放阻力是适度的(表4.9)，这限制了其使用温度大约在75摄氏度左右(167华氏度)。含有15%或稍少的锌的黄铜合金也更不易受挤压腐蚀裂缝的影响。 　　锡铜合金由于比二元铜锌合金具有更好的强度成型组成物和压力释放阻力以及抵抗压力腐蚀裂缝的能力而显得更具特色。锡加入物在强度上是可靠的，因此在冷作硬化时需要降低组成物的含量；更好的成型性能是该举措最直接的效益。通常含有10%锌和2%锡的合金C425作为降低锡合金成本的替代物应用呈上升趋势。C425的导电率与C260不相上下。C425的导电率也比最重要的锡青铜合金要高(下一节将对此讨论)，但成型性能并设有锡青铜那样好。C425的压力释放阻力也要比上述锌青铜合金好，这允许它应用于达到125摄氏度(257华氏度)高温的环境中。 　　铁，钴，铝及硅等合金加入物和铜锌组成物进一步改善了原本已经高度易成型的基本黄铜合金的一些重要特性。C664(表4.9)中的铁和钴是扩散的粒子加入物并将导致在与C260相同的强度水平下获得更高的成型性能。合金C664很可能在需要更高强度的应用中作为C260的潜在替代物。 　　锌黄铜(C688)的铝和钴等加入物混合了来自对呈现的钴铝合金进行更有效的冷作硬化以获得精炼粒子(10微米以下)的强化功效。该结果是得到一种易成型的合金，该合金提供了不经凝结强化的可得到的最高强度。表4.9列出了相对于其它锌铜合金的铝扩散强度合金的特性。值得注意的是作为冷作硬化的高效能的组成物，需要更少的工作即可达到所需强度，成型性能在横向与纵向是一样的(参阅表4.5)。与随后说明的凝结硬化合金不同，C668合金及大多数其它黄铜合金的压力释放阻力被限制应用于低于100摄氏度(含锡合金C425除外)的条件。   4.3.3锡青铜 　　粗糙的锡青铜也指磷青铜，因为加入的磷(含量在0.03到0.35之间)是为了使金属还原和达到更好的流动性。含量在1%到10%之间的锡通过溶解硬化和增加锡元素给予铜的(表4.10)加工硬化率而达成强度提高。商业上最重要的锡青铜合金是C510和C521。C510合金是最常用的锡青铜合金，当更高的强度/成型能力组成物成为必要时，常使用成本稍高的C521合金。后者高出的成本是由加入的金属基本成本和加入的锡影响热加工而提高的成本组成。含锡量高的青铜必须铸成条状，因此防止大部分成本，热压碎成为了可能。 　　源于更高的锡的充许范围的强化处理被低导电性所抵销，如表4.10所显示的。因而锡铜合金不适用于高电流接触，而应用于电信号传输上更好。锡铜对伸缩的抵抗力直到接近125度都有良好的特性。对更高温度时的稳定性要求已促进了锡铜合金向凝结强化合金的转化。 　　锡铜合金有良好的成型性。例如，因为对强度的冷处理要求更少，C521比C510能提供更好的成型性。因此，对于相同的强度C521的应力松弛阻抗力比C510更优。典型地，通过提高冷处理次数对C510的强化处理稍微减小了其伸缩抵力，但可通过减轻退火度得到提高。 与其说锡铜的应力腐蚀抵抗力受到影响不如说锡的抵抗力提高。在个观点上，锡铜与锌铜的区别在于锌抵抗力的提高对 应力腐蚀敏感性提高有极深地影响。   4.3.4 铝与硅铜 　　铝铜包括含有硅、铁、钴、或其它附加于铜-铝基材的元素的合金。用于电连接器上的硅铜合金，含有锡及其它附加于铜硅基材中的元素。该组合金中对电连接器有重要商业意义的例子如表4.11所示。 　　C638，含有铝及更少量的钴和硅，可以同时提供很高的强度及良好的成型性。精细散布的钴硅化物，具有很小的粒子，包含在该合金中对其硬度有一定影响。该合金在拉力达到近700Mpa时仍保持了相对成型性。C638的应力松弛阻抗力比较适中，限制其利用的温度为75度左右或更低。 　　C654是一种固溶且经过冷轧的合金，其能提供与C510在125度（最高的推荐应用温度）时相同的应力松弛阻抗力。C654的成型性在690Mpa拉力作用下比C510更优，尽管其导电性大约只有后者的一半。与C510一样，C654实质上不受应力腐蚀分裂的影响。   4.3.5锡与含锌的铜镍合金 　　大多数重要的用在电连接器上的铜-镍固溶合金有C725，C762，C770。其中，C725因为中等强度条件下良好的成型性，适中温度时良好的伸缩性，以及很好的腐蚀抵抗力而应用最多（表4.12）。   4.3.6凝结强化合金 　　温度升高时，高强度、良好成型性、优良的应力松弛阻抗力、以及适中的导电性最有利的适中结合，从那些能够通过热处理得到强化的合金中实现。该组合金突出的特性在第4.2.2节中已经讨论。 　　主要的凝结铜合金以铍（与钴或镍结合）或镍（与硅或锡结合）。这些合金与电连接器相关的可能用到的性能总结在表4.13中。 　　所有铜合金中能够加热处理到最高强度的含铍合金是C172。钴的加入是为了通过高温溶合退火步骤中形成粒子周围的钴铍化合物而控制微粒的大小。在其最高强度及应力松弛阻抗力时，钴有很差的成型性。在需要最高性能的情况下，合金料带（the alloy strip）在热处理达到其最高强度前，首先从溶化处理或溶化处理状态下的冷轧回火形成部件。经常，冷轧余热淬火料带，用于表示强度与成型性之间的平衡。应力松弛阻抗力也考虑冷轧料带的优点但是其不如高强度状况下稳定。正如第4.2.2节中所提到的，因为需要移走热处理过程中形成的铍氧化物，也可能为避免变形而需要移走设备，故部件热处理会产生附加的加工成本，在性能与最终的决定条件（final aged condition）总结在图4.4中。 　　C175，C172中稀释铍的形式，在压延回火（mill-hardened tempers）过程能提供更高的导电性，但缺少可成型性。为了降低金属成本而实质上不影响金属的性能，C175已被C1751所替代，而C1751中的镍被钴所替换。C175中铍与钴的容量进一步减少到一定程度已经被作为C1741介绍过，C1741只有在压延条件下才是可用的。但是后者在强度轻微下降的同时，却有更好的成型性。 　　加入铜镍基材合金中的硅通镍硅氧化物的凝线导致足够硬度的合金。访组中的合金[C7025（其也包含有镁）及C7026]因为在适中导电性时有良好的强度/成型性而有贵金属性。C7025对温度升高有相适配的抵抗力和其它可与稀释铍铜相竞争的性能。C7025的应力腐蚀抵抗力与高抵抗力的磷铜合金。 　　加入铜-镍基材中的锡，根据合金的成份和热处理，能提供与C172几乎相同的强度。该组中最强的含锡合金是C729。这些合金主要的强化处理是一种被称为旋节分解（spinodal decomposition）的精炼凝结。该组合金中镍与锡的含量范围从最高的C729（15%的镍及8%的锡）到C7265（8%的镍及5%的锡）。更为稀释的成份，如4%镍-4%锡（C726），和9.5%镍-2.3%相对的锡（C725）不能通过凝结热处理得到强化。C729据报告在高温工作环境中可提供非常好的应力松弛阻抗，例如暴露在200度环境中1000小时能保持90%的初始压力。而C7625经过相同的条件强度有轻微降低，稳定性也有些下降，同时可保持80%的压力。C7265与C729是该组中最常用的合金。但是，因为制程及金属成份的成本，使得它们很成本很高；且后者因为较差的热性能通常通过粉末压合来加工。像铍铜一样，镍-锡合金在冷轧回火（为了增加形成后的寿命）及压延回火也是可用的。   4.4 相关成本因素 对选定的高容量（high-volume）的商业铜合金的定价如图4.14所示，实际的价格根据铜与各自合金成份的价格、定购数量、容许的尺寸要求，以及金属供货商的不同而有所不同。锌铜是最不昂贵的，因为历史上锌的价值比铜低。更高的锡及镍的价格反应到锡铜合金及含镍铜合金的价格更高。含铍成份，此处通过C172和C1751非独有的成份来代表，历史上已经成为铜合金中最昂贵的铜合金，而C172是最昂贵的铜合金。大多数很高的镍锡合金、凝结硬化合金（precipitation-hardenable alloy）的定价都以C172为参照。 第五章　连接器用工程热塑性材料   工程塑料由于具有良好的韧性、尺寸稳定性、高阻抗、化学抗蚀力、短期热稳定性及长期抗老化性之类的关键特性，因而逐渐成为许多连接器供应厂商的主要原材料。近年来，连接器的生产及开发技术趋势极大的改变了市场。随着高密封装和微元化趋势的流行，今天的连接器设计要求在更小的空间里实现更高的性能，因此表现出更薄的壁厚。塑料原料应能满足在更长的连接器本体上填充薄壁的设计，并能保持原有的性能，同时也满足成本与生产工时的需求。  人们现在正在研制流动性更好的塑料原料来满足薄壁的要求，并且允许更快的生产循环时间。今天，在制造周期和随后的成型生产周期里，塑料一直被暴露在高温条件下。例如，在高密度的电路板上安装更小的组件，已逐渐采用表面粘着技术，可用更低的价格提供一个更可靠的集成电路板。在连接器工业上这种明显的趋势要求连接器材料具有更好的高温性能、更小空间里的耐压性能，并且具有更低的成本。 由于连接技术不断地更新，所以连接器设计也不断地在变化。随之尔来的是，对连接器用塑料原料性能的要求也极大地变化着。事实上，对连接器用塑料，连接器的设计人、制造商和最终用户都正不断提出新的特点与更高的特性要求，即在这些关键的地方同时具有良好的温度及物理性能。 连接器本体具有下述的功能：      *两两接触的电绝缘性能。      *提供一定的接触的机械支持。      *为可分离或永久式连接界面提供机械的/尺寸的稳定性      *在任何使用环境下保持需求的性能 在合理成本潮流下，以上要求应当被满足，其中每一个问题都将在本章中阐述。连接器制造厂商一直努力以最低廉的成本来提供最好性能的连接器，然而最终用户却想以最低的价格买到最好的连接器。 连接器本体的性能，很大程度上依赖于所使用的工程塑料的物理特性。连接器本体必须具有良好的物理特性和制造性能。聚合物必须提供良好的韧性和尺寸稳定性，同时具有高阻抗和绝缘之类的电气性能。聚合物也应当满足最终使用的需求，例如：化学抗蚀力、阻燃性、短期热稳定性、长期抗老化能力及其它成型性能。而且韧性和冲击性能之类的性能在一定的环境里会减弱。这样一些性能是塑料所固有的，但常常加入添加剂以达到特别的性能水平。典型添加剂包括滑石和玻璃纤维，它们能改善塑料的物理特性，并能有助于阻燃（参见5.3.1部分）。玻璃纤维添加剂能改善模具薄壁部分的填充能力。云母和滑石提供改进尺寸上的稳定性的功效，尤其在半晶体聚合物，为增加流动与润滑，还可加入其它一些添加剂。 对连接器原料来说，化学抗蚀力和热稳定性是关键的性能。在过去几年里，这是千真万确的。现在，当成型过程和最终使用时，它要达到这样的水平，即连接器原料应适应不断被暴露在各种化学环境中的工作要求。 本章的目的是在工程师和设计人员在做原料选择时，提供使用在电子行业中的绝缘原料的信息，协助它们作出决定。这些信息，在连接器行业显得尤为重要，因为正在使用塑料原料的电机和电子工程师，可能需要一些基本的知识关于有实用性的原料、原料特性、适用范围、强度和弱点，及其各部分之间的相互依存关系。 由于自身的性能特点，人们长期以来一直在各类连接器设计时采用这些工程塑料。最近的原料简介更进一步地增加了使用性设计的选择权。本章也注意到通用性设计的考虑，所以包括了一个附加的破坏性能讨论。 自从各种形状、尺寸、颜色及功用的连接器问世以来，对于零部件原料的要求可能是具有挑战性的。在决定做连接器本体用的原料上，连接器的最终使用及其在生产阶段经历的成型过程中扮演了重要的角色。 对于制造系统，随着在更小空间里负载电流要求的与日俱增，在电子行业里的一个主要发展趋势是不断朝微元化和更好更多的功能方向发展。不久前，典型的端子触点间的端子容室在100～156mils之间，而今天，它通常只有50mils，随之而来的是围栏厚度减到5～10mils，所以连接器本体的薄壁部分成了关键点。对于每一个薄壁围栏，具有良好的尺寸稳定性，同时保持所需绝缘性的特殊原料很重要。它还要以更快的成型时间去填充模腔各部分，以提高产能。 决定聚合物的另一重要因素是聚合物的分子量（MW）。聚合物由何种方法制成及保管决定了分子量。分子量能影响粘度、物理性能和热容量性能。分子量的分配，在聚合物内部，决定内链的长度范围，也随制程的变化，对以上性能产生明显的影响。 聚合物内链分子量决定粘度或原料的流动性。因为分子量影响了内链运动和内网，这能极大的改变粘度或原料的流动性。聚合物内链必须具有一特定的长度，才能形成内网，从而限制内链的相互移动。因此，同样基体的高分子聚合物较低分子聚合物具有更低的流动性和更高的粘度。 物理性能如延展长度也受分子量的影响。对于低分子聚合物，延展压制的可能性为零。但随着分子量的增加，延展长度将会增加，且到一定水平会断裂，具有一个近似的最大延伸长度。正如在晶体聚合物部分的讨论，形成晶体物质的必要条件是一种聚合物必须达到一特定分子量或内链长度，从而使内链排成直线。依靠化学药品，高分子聚合物能比低分子聚合物提供更多的机会。晶体延迟了性能的改善，例如充模能力和化学抗蚀力。一般说来，随着分子量的增加，机械强度和熔融粘度性能会增加，但流动性和制程能力下降；同时随分子量分配范围变大，流动充模能力和熔化强度增加；随着分子量分配范围变小，抗冲击强度增加，但warpage流动性和制程能力下降。 总之，分子量的增加会导致机械性能的增强。是以，大多数聚合物的分子量介于一万到一百万之间。除非至少可获得分子量为一万的聚合物，否则强度性能得不到改善。此外，分子量也能影响制程流动性和聚合物别的一些物理性能，如抗冲击强度和延展长度。   5.1 聚合物结构 对于理解关于一特定连接器所使用的塑料而作出的恰当的选择，了解聚合物的结构常识是必要的。从一个微观观点来考虑，聚合物可画分为两类：无定型聚合物和晶质聚合物。   5．1．1非晶体聚合物 非晶体聚合物由聚合物内链组成，这些内链以一个随机无序的形式排列。在这里把它们看作为一碗意大利面条，如图1所示。相对晶体聚合物，非晶体聚合物被认为有更宽的熔解范围、更低的收缩率、更低的warpage和更低的流动性。它们具有良好的延展性、抗冲击强度及尺寸稳定性。这些原料包括了非晶体聚合物范围，且它们所拥有的大量物理和机械性能，具有很强的温度依赖性。低温时，非晶体聚合物是玻璃质的，坚硬但易碎。随着温度的增加，非晶体聚合物超过了自身玻璃质转换温度Tg，加热到该温度时，聚合物结构转向橡胶质(在冷却时，转化为玻璃质)。在Tg温度上，聚合物将失去明显的自身所有的机械性能，如图5.2所示，in modulus shown 这些性能会急剧下降。因此，当以非晶体聚合物原料来设计连接器时，考虑大致的使用温度是首要的。关于非晶体聚合物有聚苯乙烯和聚碳酸酯等。   5.1.2. 晶体聚合物 通常所说的晶体聚合物指半晶体聚合物并包括晶体、非晶体聚合物范畴，而非晶体聚合物只包括非晶体聚合物。晶体聚合物被推断以图5.3所示结构有序的排列。随着早期的推断。晶体聚合物被想象成一碗混合了煮熟的和直硬未熟的意大利面条。这种有序通常是由于聚合物内链有这样一个结构，可让它们排成直线并聚集形成晶体范围。直线型态由这样的几何特征而来，并被在聚合物内链间形成的低能量化合物所保持这些低能量化合物如氢合物等。中间链的结合依靠内链长(即分子量)，这就是为什么分子量是如此重要的塑料原料参数的原因。塑料原料里晶体的百分比由聚合物类型(化学组成)所决定，它也影响着内链主链的柔韧性，和能促进结晶的可能的内链反应。例如：尼龙内链有能力形成氢合物，因此在聚合物内促进了结晶。聚酯也能形成氢合物，并影响构成聚合物内链的化学单元长度，因此促进了结晶。 晶体聚合物sharper 熔点和玻璃质转化温度，比起无定型聚合物具有更高的系数和抗拉强度。尽管它们的抗冲击性能低于那些非晶体聚合物，但通常认为晶体聚合物具有良好的化学抗蚀力。 在熔融状态，晶体聚合物也是非晶体的；也就是说，聚合物内链以随机的方向排列。但随着熔液的冷却，内链开始直线排列并形成晶体聚合物。直线型式可促使先前提到的系数和化学抗蚀力的加强。 通常，原料晶体的性质能对连接器组件的制程和物理性能施加一个可预测的影响。随着成型过程所使用的成型方法及添加进基体塑料的化合物的变化，晶体也随之变化。随着晶体百分比的增加，机械性能也增强。图5.4表示了一典型的应力－应变曲线。当晶体增加时，如前叙，随晶体百分比的增长，屈服点和主要的强度会提高。被作为一种衡量硬度的尺度的弹性的模量(应力对应应的比率)也在增加，但晶体的增长通常会造成原料韧性的下降。而内链的直线排列和前述的中间链聚合，引起了机械性能的提高。在聚合物的机械性能上，晶体的增长具有明显的影响。晶体聚合物主要有乙烯聚合物的氯化物（PVC），尼龙和聚酯，例如：聚乙稀、对苯二酸盐（PET）和聚丁烯（PBF）。 ．工程塑料原料 现在这将有助于详细调查一些使用频率很高的连接器原料。这些原料将根据它们是否属于晶体或非晶体聚合物而划分为两大类。   5.2.1　非晶体聚合物 丙烯晴－丁二烯－苯乙烯（ABS）　ABS由一系列的有时被用于低要求连接器运用场合的配方构成。尽管ABS具有良好的冲击性能，并且相对比较便宜，但它对有机溶剂几乎没有抵抗力，一经暴露在这类环境下，它就会变脆。ABS也不具有长期的热稳定性。ABS也不具有长期在高温环境中的使用性能，因此不能适用于一些高要求的连接器运用场合。ABS还具有良好的机械性能、热和化学的抵抗力、良好的耐久性、高冲击强度及磨损抵抗力。 聚碳酸盐酯（PC）　PC是具有良好尺寸稳定性和冲击强度的非晶体聚合物。当运用上需要时，它的透明也很有价值。PC 也具有相对较高的加热性能和1500度的热变形的温度。但它不具备良好的化学抗蚀力，而且在有机溶剂中可能会被裂解。它具有良好的电性能，本质上是自衰的。PC和其它合成橡胶、热塑性聚乙烯、ABS磺化聚合物混合的特性是可利用的，并可提供改善的低温韧性和制程性能。 Polyphenylene（PPO）　由于处理和成型简单聚合物的困难，PPO典型被用在改变混合形式上。连接器场合上大部分的混合是随高冲击强度的聚苯乙烯（HIPS）或尼龙而变化，并是玻璃质增强的。这些混合能阻燃以达到UL 94-VO易燃品窗体要求。PPO和它的混合物具有良好的温度系数和一定的化学抗蚀力（它对酸性和碱性环境具有良好的抵抗力，但会溶解一些芳香醇和氯化溶剂）。在一个大范围的湿度和温度条件下，该等聚合物具有低的吸水率和良好的电气性能。然而，PPO不具有类似聚乙烯的良好的流动性，故无法使用在薄壁连接器上。 聚眠甲烷　市场上有许多价格与性能差异很大的聚眠甲烷。这些原料具有良好的加热性能尺寸稳定性能，但是对有机溶剂几乎没有抵抗力，尤其是对氯化的碳化氢。它们具有高的受热斜向温度、良好的尺寸稳定性、良好的爬行阻抗及好的电性连接性能。聚眠甲烷本身具有良好的阻燃性，并具有相对较高的受热性能。 Polyetherimide(PEI)　PEI是一种高温非晶体原料。它通常用在需要较高受热阻抗或尺寸稳定性条件下。它具有符合UL94-VO的阻燃系数。PEI是一种高稳定的聚合物，它可以被研磨及通过复合途径使用。它具有良好的UV和γ射线阻抗。在沸水中浸泡10，000小时后它还能保持85%的拉伸强度。在不同温度、湿度、频率条件下，PEI具有良好的电气性能。它的散布对于微波是透明的。对于波峰焊和气焊制程的PEI的阻抗也是通用的，这使它特别在电性运用上引人注意。PEI主要的不利因素在于它的成本很高、制程温度高、流动性差。 Polyether ketone(PEK)　PEK是一种相当贵的原料，它被用于高温场合。该原料由于固有的磨损和疲劳阻抗而具有良好的化学性能和抗腐蚀性能。只有浓缩无水的或是强酸才能对它起作用。酮唯一可溶于酸。它们对于热水分解具有很高的抵抗力。酮有时也会发生翘曲，这可以被铸造克服。酮类聚合物具有高达3000度的熔点。它们具有低烟率并在整洁环境里通过了UL的94-VO的测试。酮类聚合物是具有一定韧性、强度、硬度和高冲击强度和负载承受能力的。酮类聚合物会受UV的影响，但在一个大的温度范围里对α、β、γ射线具有高的抵抗力。   5.2.2　晶体聚合物 Polyoxymethylenes（缩醛）　缩醛是具有良好流动性和类似对有机溶剂的化学抵抗力一样好的制程性能的半晶体聚合物，但它们当暴露于强酸作用下时，会发生退化。缩醛固有的缺点是不具有阻燃性，因此它们在使用上受到限制。缩醛具有在长时期大范围里保持良好的机械、化学、电子性能结合的能力。它们对承受负载和疲劳具有良好的抵抗力。对于在2000度高温下使用，也具有较高的热抵抗力，并具有很好的水稳定性。这些塑料是坚硬的、牢固的和具有良好韧性的。 聚乙烯　在电子工业领域，有许多原料是聚合物内链的酯结合，因此都属于工程塑料的聚乙烯家族。许多标准连接器由聚乙烯组成是因为它能提供良好的流动性、很光滑并具有良好的溶解抵抗力。这些原料主要是PBT、PET和PCT。选择这些玻璃增强剂的性能被纳归纳在表5.1中。简单的树脂不同于化学合成的，故也由于该不同而造成具有不同的性能，如表5.2中所示。基于用来制造不同聚合物的单体，聚合物的内链会被改变。结构的不同会影响到化学性能、熔点(Tm)、晶体百分比和其它一些性能。晶体的变化会在物理性能、化学抵抗力和其它一些原料的重要性能上产生很大的影响。聚乙烯的半晶体原料，很容易在成型时收缩。 PBT具有良好的化学阻抗性能，此外还具有不受湿度影响的电气性能。它也不受水、弱酸及其通用有机溶剂的影响。 PET具有高的强度、韧性、尺寸稳定性、化学和热抵抗力及其一些其它的性能。它PBT对水和制程中的水的百分比更敏感，这会导致成型聚合物的退化。不填充PET的成型收缩率是2%，但当加入30%的纤维添加剂后，收缩率只有0.1%到0.3%。 PCT具有285度的熔点，相对PBT的225度和PET的255度，更高的温度阻抗使它更易于在表面安装电子组件。PCT主要的缺点是它的制程窗口由于很小的熔解和退化温度跨距而很狭窄。但它也有很好的物理、化学、电子、机械和热性能。 PBT比PET和PCT更牢固。当SMT不成为问题时，良好的流动性和牢固的晶体使PBT聚合物用在很多连接器上。这实质上是允许更快的循环时间，因为它能更快地填充模具并成型。PET是低晶体并因此导致更长的成型时间，这会延长循环周期。PCT具有和PBT大致相当的晶体百分比，但更慢的晶体化过程而导致更慢的循环周期。PET和PCT型由于它们的高熔点而需要更高的成型温度。这类聚乙烯通常被用作绝缘原料，而且受所需的化学抗蚀力、温度决定，并且PBT在使用中占很大比重。 Polyphenylene sulfide（PPS）　PPS是具有良好流动性和受热能力的半晶体聚合物。它具有良好的流动制程性能并能填充复杂连接器设计的薄壁部分。大部分的PPS原料和混合物是下班露出增强剂，这是因为它的简单构造。它在成型中不易碎并不会闪光。PPS通常用在需要高温的PCT上。PPS固有阻燃性，但它的价格限制了它的使用。PPS被UL 94-VO评定过。当玻璃纤维增强后，PPS可持续使用在2000度的的温度等级里。PPS在大的温度和湿度范围里也具有很好的电气性能。 Polyamide（PA）　PA最常见的是尼龙，可以有很多种。依靠所使用的单体，原料在性能和成本上有很大的变化。表5.3和表5.4中分别提出了选择简单和填充尼龙树脂的性能。大部分尼龙是半晶体聚合物。尼龙能够随使用的添加剂和混合物的不同而发生很大的原料性能变化。尼龙的流动性也会发生变化，因此能被用在各种需要高强度和系数的场合。但是通常尼龙需要添加添加剂和强度添加剂。尼龙具有良好的韧性和水解稳定性。它们具有长期老化性能但不具有阻燃性。使用尼龙的缺点是收湿性；它所吸收的湿气会随温度和湿度的变化而发生变化，因而会导致聚合物矩阵的延伸。但通过烘干，条件是可逆的。由于这个原因，一些PA不适合应用于要求三维尺寸稳定性的场合中。吸湿性也影响了一些性能，例如它增加了翘曲和冲击强度但减少了拉伸强度。聚合物的电气性能对于湿气和增加了水分后的变质很敏感。尼龙对于烃和芳香族化合物具有很强的化学抵抗力，但受强酸、碱、酚的影响。在一定的持续时间和暴露强度下，提高温度和超声波照射(UV)都将使尼龙退化。 液晶聚合物（LCP） 液晶聚合物包括大量的树脂，树脂在熔解和固体时其结构均显示出了很高的硬度，在薄的部分也是这样。它们同样显示了较高的温度稳定性和化学抵抗性能。用于连接器工业中的液晶聚合物通常为含酯类酸的聚脂类液晶聚合物材料。液晶聚合物具有很好的机械和热性能同时还具有较好的流动性。因此它们用于薄壁应用中。如果连接器上端子之间的距离很小时就应该考虑使用LCP，因为LCP的流动性比PPS的要好四至五倍。在流动方向上的塑造收缩只有千分之一英寸的大小。LCP可归为改善的热塑性塑料一类，在表面安装的应用中其比PBT在制造薄壁型产品的时候具有更好的性能。 液晶聚合物受基于外来芳香族化合物而导致较高的各向异性的形态的影响。这种化学作用的影响将使材料的价格的升高。为降低成本LCP常与其它一些的低成本的材料相混合使用，如人造树脂、添加剂以及玻璃纤维。LCP与PPS相混合使用的第一个商业目的是可降低LCP的成本以及减少PPS的闪光。液晶聚合物的性质特征为低溶解粘性，良好的拉伸性，具有压缩力以及弯曲系数值；以及非常好的化学，辐射，及热稳定性。图表5.5中显示了LCP的选择性有代表的性能参数值。 如图5.6所示，基于其化学性LCP可分为三类。与熔解温度特性相应的是其最显著的特征是HDT。LCP极具竟争力的一个优点是其快速出模和制造薄壁产品而不留毛边的性质。此类材料具有经受高温处理和长时间处于升温的状态。 在LCP材料中也存在如下的缺点，它们的各向异性将导致出现横向应力，并且将导致部分的warpage 。这些问题可通过增加添加剂来改善。结晶同样会出现在此类材料中，这样将会减少前端流动熔合的时间。这样将导致焊接线强度较差，但是这种问题也可通过控制成型过程和加工工具设计来加以控制。由于未充满的LCP具有各向异性，为了加强其在电子方面的应用，通常在其中加入30%到50%的玻璃纤维。高熔解温度在300℃范围内，高系数会对波动，蒸汽阶段以及红外线焊接条件产生影响。LCPs有UL 94-VO的阻燃率，以及在燃烧时不会产生烟雾。其对酸的以及稀释碱，有机溶剂化学抵抗力非常好。强碱如氢氧化钠和胺将会使LCPs到一个加高的温度。 LCPs在连接器市场上能有一席之地是因为有两个重要的因素：设计上的小型化和在自动生产过程中的高生产率。近年来的趋势是具有更高生产率的表面粘着技术，其经济性允许使用高成本的LCP材料。   5.2.3 热固性聚合物 为了更完整的叙述接下来便是热固性聚合物。热固性聚合物从熔解状态到冷却状态因此不能被软化或再加热以用于其它目的。因此它们只能提供较为有限的机会在再研磨用的过程中。在化学上热固性树脂在处理中要经历一个交叉连接的反应过程，以产生一个固定的分子间的网络结构。热固性材料在交叉连接的时通常是收缩的，但是这种收缩是能通过附加如添加剂和加强光纤进行控制。在热固性状态下的这些材料的变化可以在室温和高温下完成，而树脂则能在加热下进行得更为彻底。总的来说热固性材料比热塑性材料具有更好的温度性能。   5.3 添加与添加剂 在连接器领域应用的大多数树脂可以通过添加剂的方式来提高其性能。这些添加剂的范围从阻燃剂到惰性添加剂以及加强料。很多用作绝缘的材料可通过增强处理和添加剂的方式来提高其性能。增强处理通常用来提高材料的强度、硬度、尺寸稳定性以及热和机械性能。其通常能减小热膨胀系数(CTE) 并且在薄片结构中它们能减小卷曲和收缩。添加剂通常能增强硬度、尺寸稳定性、和热机械性能。它们有时会影响强度和工作性能。添加剂通常便宜且能降低材料的成本。在很多情况下增强剂和添加剂联合与玻璃纤维使用以平衡成本与性能之间的关系。这里有一些因素能控制附加添加剂的使用： 载荷---附加添加剂的数量将决定一定载荷下硬度、强度以及热性能的增加。一般情况下50%的载荷常常被用到。 比率---在很多情况下增强效率要由玻璃纤维和添加剂在比率方面(长度/直径比率)来决定。很多添加剂是易碎且在材料的铸造和成型时易碎裂和退化。具有低比率的材料经不起太大的损坏。 界面连接—很多矿物质和玻璃基于其化学组成而具有高表面积，其组成占有很高的表面能量。Coupling agent或sizing可用于量度材料增强树脂矩阵之间的联接。通常的coupling agent包括silanes，石蜡，titinates和胺。 混合处理----添加剂与聚合物矩阵相联接的方法将会在其性质上产生想不到的效果。 用得最广泛的增强和添加剂是阻燃剂、玻璃光学纤维、云母片、wallastonite以及滑石粉。   5.3.1 阻燃剂（FRs） 　　很多电子应用上要用到阻燃树脂。最明显的原因是防止可燃材料的点燃。有几种可燃途径必须注意到，如稀释物(添加剂)，保护层的成型(磷化物)，以及冷却物(铝及从水中产生的氢氧化物)。这种反应通常发生在固体或气体阶段。阻燃剂在使用了卤素元素之后将会妨碍原子团之间的反应。经过交叉连接反应它们会在材料表面形成一个烧焦或屏障层，这些是可通过磷化物的介入而产生的。 阻燃剂能作为反应剂和填加剂。作为反应剂的时候它们自己通常要进入聚合物的矩阵结构之中，而作为填加剂时它们通常只会物理上与聚合物矩阵结构相配合作用。FRs在工程热塑料材料上的应用一般是作为填加剂。其中一些在混合物中起配合剂的作用。这种阻燃剂的选择是可扩展的，并且其总类和影响对绝缘材料的作用将会被提到。 在工程塑料领域里应用的填充阻燃剂有最基本的两类：含卤素和不含卤素的FRs。有一些材料如PEI和PPS它们自己分子结构内部就有阻燃剂，因此也就不需要附加的阻燃剂。含卤素的阻燃剂其效率增加的顺序为：氟<氯<溴<碘。含卤素的FRs通常使用溴作为卤源而有时也使用氯，这是由于卤素与碳原子相结合时其释放需要有一定的能量从而能提供给FR。FR的化学活性已经大量的研究了但仍然存在争议。增加卤素通常会提高材料的成本同时也使此混合物的密度增加。含溴和含氯的FRs被束于脂肪类和芳香族的聚合物矩阵之中。脂肪类结合的卤素容易被破坏，所以它们比芳香族结合的卤素的温度抵抗性要差。芳香族结合的卤素在工程塑料中应用得很普遍，例如：tetrabromobisphenol A，乙烯(tetrabromo-phalimide)，以及poly(dibro-mophenylene)。这些材料的成分从4%到15%不等，这要依FR中的溴的含量以及能提供给阻燃剂的矩阵而定。由于分子和聚合物的不同这些材料所带有卤素将会影响绝缘材料的性质。例如很多聚合含卤分子用于工程塑料之中。 大部分情况下要用到锑基化合物。这样可以提高卤素阻燃的效率。配合氧化剂自己并没有FR的能力，然而它在含卤化合物中具有很强的配合作用并且还可与广泛的与卤素相配合使用。此类反应通常发生在气体状态下。 非卤素的阻燃剂同样也在研究之中，但由于其在应用中对一些材料的基本聚合物矩阵将产生损坏性的影响，所以其应用受到了限制。例如磷基化合物用于尼龙材料中而不能用于聚脂之中是因为其与聚脂微晶不兼容。磷化物所起的作用通常是在浓缩阶段。其化学组成通常为高含氧成分并用于聚脂中。磷类主要包括有亚磷酸盐、亚磷酸、磷化物、白磷、红磷以及磷酸盐。这些化合物可用于一些明显的材料并且通常作为烧焦层组分和屏障层组分。作用于表面的FRs可对表面的性能产生一定影响。例如形成烧焦层的材料将影响聚合物表面抵抗力，它们同样会妨碍铸造柱形表面过程。 工程塑料中很少有适合FRs的矿物质，因为大多数矿物质的分解温度比工程塑料形成温度还要低。含有矿物质的材料，如氢氧化镁、碳酸镁、氢氧化铝及含硼的化合物已经被应用。它们加热时通常要分解，但不象其它物质那样蒸发，而是释放出不燃烧的气体，如水和一氧化碳等稀释燃料的混合气体。同时它们也把聚合物和氧隔离，以免其被氧化。但是这些混合物因为需要高度浓缩以满足FR的需要而使其在工程材料中的应用受到限制。由于材料中包括了水和更低的物理特性，尤其是流动性和相互冲击性。许多情况下，这些材料也提供了稀释的作用，因此那些不燃烧的其它材料对FR的形成具有积极的效果。聚合物中含有许多其它物质，如硅，其表现出有限的分解延缓应用性，但是它们必须考虑成本和性能。 延缓分解性的要求一般是用(Underwriters)实验来确定的，许多确认延缓分解性的不同实验被采用，如UL94，DIN4102及NEP92-507等。获得UL证书需经过严格的测试。 当考察FR添加物和分解延缓材料时，应用的特殊性、全部材料的绝缘性能及材料的成本/性能比值都必须考虑。又，聚合物的许多性能可通过向聚合物矩阵添加FRs添加剂而得以改变，这一点也是需要考虑的。   5.3.2强化添加剂 玻璃纤维 玻璃纤维是广泛用作强化剂中的一种。除了强化作用外，玻璃纤维还可增加分解延缓性和使材料更耐化学和热作用。玻璃纤维添加剂可大提高材料的物理性能。如，向PBT中加入玻璃纤维添加剂可使其弯曲系数增加250%，拉伸系数增加100%。在其它树脂中可看到相似的性能的提高。玻璃纤维添加物一般要降低树脂的流动性并可能引起一些表面缺点。玻璃纤维对选定的聚合物性能的强化作用被列于表5.7和5.8中。 云母 云母也是一种用作提高热传导性，温度阻值及电介质绝缘性能的同时降低热澎胀的天然材料。它可作为添加剂或强化剂并常与玻璃纤维合用，表5.9说明了这一点。 Wallastonite. Wallastonite也是一种天然的针状材料。它常与玻璃纤维合用并表现出很好的电绝缘性能和很好的热变形特性，表5.10对此进行了说明。   5.4   成型和应用 聚合物形成连接器绝缘本体的过程(通常是注塑成型)及关于成型过程部分设计的作用对连接器绝缘本体性能有很大的影响。连接器将被使用的应用也将影响聚合物选择的标准。关于此以后将继续讨论。   5.4.1 成型过程 某种连接器应用的特殊材料的选择可能受许多因素的影响。有时一种材料根据其物理特性来选择。在其它情况下，连接器的使用环境也可能影响树脂的，这一点也需考虑，并且热和化学兼容性必须作为主要因素加以考虑。作为首要考虑的因素，合适的熔化和成型温度必须考虑材料的数据表。高的成型温度一般导致低的成型压力，高的成型完整性及易流入较窄部位。为了获得统一的成型高温，建议采用喷吐机或热端子以从核心向外散热。温度平衡依赖以下三个因素：模具设计，熔化湿度及循环次数。冷模会引起过度的弯曲和收缩。 注塑压力值是成型过程的另一重要因素。较窄的部分成型尤其困难。它们需要大量的排气孔，热模及额外快速填充。注塑成型压力值依赖于局部几何形状、模型设计、成型材料及熔化温度。总的来说，连接器最常用的材料趁向于具有低粘性和易流动性。在连接器绝缘本体注塑成型时，使用低压注射是很重要的，这样可降低冲击，成型压力及模具小核心的疲劳度。如果采用过高的注塑压力，由于模具钢的移位或其它对模具的损害都可能引起注件尺寸的改变。 这样的影响在连接器的局部角落显得尤其突出，因为注塑件的外部比其内部冷却速度要快得多。降低角落处的弯曲程度的关键是使连接器两边的冷却率相等。达到这一点的典型做法是使角落处的内部比外部温度低。另一种做法是使角落处的内部升温。使核心部比外部洞穴降低到更低温度值的能力在许多连接器工具中是很重要的。   5.4.2　应用 表面粘结技术(SMT)将作为一个聚合物/应用干扰的例子。SMT允许向电路板密集地安装组件。SMT的主要优点是在装配时可降低成本，减小尺寸及减轻重量。许多电路板的制造商都编入采用各种SMT技术的制造设计技术(DFM)。制造商发现up-front、受控的放置规划、焊剂、修理维护及测试可显著地提高生产率和可靠性。考虑的重要设计是使用的SMT类型，电路板条件及可靠性和成本因素。 现在有两种基本的用于SMT的接触方式：波峰焊和流动焊。在波峰焊中，装置和接触面直接暴露于熔化的锡合金。流动焊依赖于传递的热以熔化置放的焊剂合金(主要用作锡/导引/熔化粘着更重要的安置装置)。波峰焊常用于穿孔插接(PTH)方式和在焊接过程中被收容于基树脂的低轮廓装置。流动焊则仅用作粘结以保持该装置。 流动焊是用于SMT装配方式，尤其是需要使用更新的、更好的树脂混合物的先进的焊接方法。当几种方法存在以有效地流动焊接粘结时，常采用红外线来加热。激光、热气、热棒及局部集中的红外线在流动焊接中也常用的。 波峰焊或流动焊是一种适合使用SMT技术的制造的共同方法。波峰焊是一个过程，在该过程中，许多连接部与流动的焊剂波接触一小段时间，同时连接部被焊接。 除了焊接以外，粘剂和树脂也可以用于向组装表面安装组成物。粘着技术可用手操作机械的注射器而达成，或使用高速输出、可编程的机械分配手在需要组装其它组件的位置点上粘剂。 上面的关键点是SMT向电路板和连接器环境传热和化学物质的过程。注意SMT应用的材料挑选以材料在焊接端子的SMT过程中暴露的时间和温度为基础是相当重要的。这些绝缘材料在490华氏度(255摄氏度)的高温下可以停留30秒到几分钟。   5.5 小结 电连接器材料可能暴露在热及化学环境中。此时，材料的选择更加严格。故设计者必须确定电连接器绝缘本体的材料选择在经过长时间的不良环境以后仍能保持其性能。 选择电连接器绝缘本体材料还有其它长期因素需要设计者加以考虑。其中之一考虑是如果部件在板清洗过程中暴露于碳化氢时对抗化学腐蚀力的要求。例如，postassembly 环境也是很重要的。例如，长期热及化学抵抗力在覆盖应用时（under--the--hood）应加以考虑。 高密度及小型化在电连接器市场上将会继续发展。可以预测未来之设计将要求在更少的空间有更高的性能。因而对设计者而言，在材料领域的变及表面粘接技术上处于变化的前列更为重要。 表5.11列举了不同材料的优点及缺点。同时表5.12包含了与电连接器应用最相关的选择的工程聚合物的一些聚合物性能总结。 　 表5.11电连接器应用所选择的工程聚合物的优点与缺点   材料 优点 缺点 ABS 良好的抗冲击性能，价格低廉 较差的有机溶液抵抗力，缺少长期抗热老化性，对大部分的连接器应用不适合 ACETAL 良好的流动性及化学抵抗力、成本低廉 在酸性或碱性环境中易退化，且阻燃性差 PBT 　　良好流动及光滑，良好的电气性能及化学抵抗力，良好的热性能 高收缩性，在负载下易发热 PET 与PBT相比减小了翘曲性，比PBT更耐高热 流动性比PBT 差，对空气湿   度敏感（比PBT的结晶性差） PCT 最高的热聚合物，良好的流动性及化学抵抗力 易碎，制程窗口窄 PC 　　天然阻燃性，良好抗冲击强度，尺寸稳定性，透明性，热性能 化学抵抗力差，压力下易分裂，流动性差 PPO blends 良好热性能，天然阻燃性，具有一定化学抵抗力 流动性差，可着色性差 Nylons 　良好流动性，抗热性，抗冲击性 吸湿性差，尺寸稳定性差   PPS 良好流动性，抗热性，化学抵抗力 易碎，反光，着色性差 PEX 非常好的热性能，良好的抗环境疲劳性，天然阻燃性 结晶慢，成本高   PEI 热性能好，天然阻燃性好 成本高 LCP 非常好流动性，热性能好，天然阻燃性好，电气性能好 编织线强度，着色性，成本，机械性能与流动性相对perpendicular 附：PEI=polyetherimide；PES=polyethersulfone；PC=polycarbonate；PBT=polybutylene terephthalate；PCT=polycyclohexylene terephthalate；PPS=polyphenylene sulfide；PA=polyamide；LCP=liquid crystal polymer；其中：PC不含有玻璃，PPS含有40%玻璃，其它材料不含玻璃。   第六章   可分离式连接器       在第一章中，就连接器曾给出如下的功能性定义：电子连接器是指一种能够为电子系统两个子系统之间提供可分离式接触界面的电子装置。 可分离式接触界面本身具有一些要求，其中包括耐久性，结合力及机械稳定性。耐久性指连接器可正常工作的结合周期。一个连接器所需要的结合周期取决于其具体应用。当制造工艺比耐久性重要时，这个数值可以较低，大约为10。至于便携式计算机(如办公室或家庭用的笔记本计算机)时，就需要数千周期。耐久性主要涉及接触面涂层消耗的可能性，其导致第三章中提到的腐蚀保护及界面最佳化的丧失。 结合力（连结连接器之插头与插座所需的力）对于高级端子计数连接器尤为重要，这种连接器由于其结合力较大导致须以工具辅助装设否则将被破坏。机械稳定性指连接器承受应用载荷如震动、冲击及热循环的能力，其可能导致接触面干扰。这种干扰也可能产生如第三章所述的电镀层脱落。 影响这些操作性能的主要的连接器设计及物料因素是接触面涂层、正常接触力及接触面形状。本书第二章、第三章曾就接触面涂层对摩擦、损耗及受此影响的耐久性、结合力的重要性和影响进行说明。 本章将讨论正常接触力和几何形状对操作性能的影响，其中正常接触力是重点，尤其是它的产生、大小及其稳定性的维持。   6.1 引言 为方便起见，将前述连接器横载面图1.1再现为图6.1。在连接器中各种各样的可分离的接触面接触之设计拓展了在不同环境的要求下应用的连接器的范围。可分离式连接器一般具有两部分。大体上，连接器的一端(通常插座)是弹性部分，而另一端(插头)之固体接触部为post，pins，或者PWB。分类上，这些装置可归入post/插座，pin/插座，及卡边连接器。   6.1.1 posts，pins及PWBs 图6.2是典型的插头接触端之实例。 PWB(图6.2.a)就是三级和一些四级连接器装置的一部分。posts和pins的主要差别在它们的几何形不同。posts为方形或其它规则形，而pins则为圆形。 图6.2.b所示的一侧边为0.025 in(0.635mm)的25 针方形post是目前最常见的几何形状，尽管小一点的post (如15针方形和0.5mm)的应用越来越多。贵重金属涂层应用于高操作性能之领域，而锡涂层则用于电子和商业产品上。在3、4级产品中，post依据工作环境不同可以直接插入板上或收容于连接器端部，其可以被遮敝，也可以不遮蔽。 Pins在四级产品中应用不多，其主要应用在于五级与六级产品中。根据不同情况其可应于很多尺寸。常用的两种型号为如图6.2c所示的加工螺杆及图6.2d所示的层迭式。二者主要区别在于加工螺杆的pin上没有接口缝，且不易于控制其尺寸。因此，其通常被认为具有优良的性能而同金接触涂层一起应用于军事和高性能系统。层迭式则用于电子及商业领域并可应用于贵重金属及锡涂层上。   6.1.2 母端子 大多数母端子都设计成悬臂梁形状，当然也可以看到混合接缝.一些最常见的形状如图6.3至6.5所示. 最简单的母端子设计成悬臂梁，如具有卡片状边缘的端子(图6.3a)，尽管有一部分端子呈现出如图6.3b所示的混合悬臂设计一样的复合形状. 对于插杆\插座系统，有多种的端子接缝在应用，如图6.4a到6.4e所示的敞开或盒子形状.除了图6.4e外，在这些例子中，两个悬臂梁使端子正对插杆的一面.敞开的双端子由于价格低廉而在商业利用上压制了盒子状端子.有四种形状的双端子比较常见；通俗地讲，他们指的是﹕秸叉(图6.4a)，扭杆(图6.4b)，单悬臂(图6.4c)和卷盒(图6.4d)。他们在实际制造和悬臂梁设计时有很大的不同，这些都影响到制造成本及工作性能.如图6.4a的平压端子是基本的设计。此外成形操作还带来一些附加的特征，图6.4d所示的设计对插杆的不平直度作了一些保护，而且对端子接缝的反超限应力也起了一定的保护作用，这是因为卷盒向里伸展。 这些系统提供了太过长的端子，它们都应用了贵重金属而且末端镀有锡，最后的25平方母端子设计图是有四条接缝的卷盒端子，是为了适应贵重金属末端的要求，而主要应用了高性能和多插脚。 正如同对端子的决定一样，为了相同的市场公端子还应用于可机加工螺旋和冲压成型的类型。图6.5a和图6.5b分别所示的是可机加工螺旋和冲压成形的公端子。可机加工螺旋的端子常常镀金，而冲压成形的端子常常被发现在末端有贵重金属和锡。   6.1.3总结 在应用中还有许多其它的母端子，都是为了适应耐久性配合力，成本的要求.上述有提及到，母端子弹性的一个重要功能是产生正常接触力。   6.2 接触正压力 由于接触正压力对于以下性能特性之影响，使其成为连接器设计中一个主要参数。 * 配合力 * 磨损 * 接触弹性部上之压力 * 连接器壳体上之压力 * 接触电阻 增加之正压力对以上前四项产生不利影响，而只对一项产生缓和之因素。如在第二章所讨论的，一样之接触面结构，即冷焊后之粗糙结合部，引起了磨擦及磨损。增加之正压力提高了磨擦力，也增大了配合力及磨损率。缓和之因素是增加之磨擦力同样提高了端子接触部之机械稳定性。这是一个有利的因素，因为它减少了接触面之潜在不稳定性，降低了它受在端子接触面或其附近出现之腐蚀性产品或污浊影响的敏感程度。 如将要被讨论的，增加之正压力使得在端子弹性部上之压力变大，这样反过来也对连接器壳体产生一个更高之压力，因为在大多数连接器设计中，端子是被壳体在某些点所固持的。在端子弹性部上的更高压力对弹性物质产生的强度和其可成形性间之权衡关系有更高之要求。在连接器壳体上之高压力导致壳体更易发生变形，这样可能影响弹性部之固持位置，进而影响正压力。从这一点来看，显示出增加之正压力总的来讲对连接性能产生不利之影响。 然而增加之正压力却可以抵销这些不利影响，如在第二章所讨论的，接触电阻随着正压力之增加而减少，正如公式（2.9）所显示出的，为方便叙述重复于公式（6.1）中。 Rc=接触阻力 K=一个包括表面粗糙程度，接触方式和弹性或塑性变形影响之系数 ρ＝电阻系数 H=硬度 Fn=接触正压力 增加的正压力对接触电阻大小之必然影响是，接触面积增加，则接触电阻减小。另外，接触阻力的稳定性同样通过两种影响随着正压力之增加而增加。首先，增加之磨擦力提高了接触面的机械稳定性，以及随之产生的对抗端子接触面不稳定之阻力。其次，如将在6.7.1节进行讨论的，在端子区域里的这种增加同样提高了接触面之抗腐蚀能力。 从以上之阐述可以看出，正如Whitley和Mroczkowski所论述那样，一个连接器的“最优化〞正压力来自于较高正压力对机械性能所带来的不利影响与端子磨擦力有利影响间之权衡。在大多数例子中，“最优化”被译成“最小化”以着眼于使不利之影响最小化。要理解这种权衡需要考虑对接触阻力之影响。两个因素必须加以考虑，正压力需要建立接触面，并且需要保持接触面之稳定性。建立接触面需要产生一个足够的金属接触区，——如果必要，通过破坏或移走表面之氧化膜或污物。在通过要求数量之配合周期后仍保持表面保护层之完整性之前提下，接触面之稳定性来源于通过增加磨擦力而保证之机械稳定性。 来自于Whitley和Mroczkowski二人之图6.6显示，对于镀金之接触表面保护层，10g之正压力已足够产生3Ω之接触电阻，这对于实际中任何电讯装置都能满足需要。然而，这种“金属”或贵金属的最小力并不能解释氧化膜被破坏或移走之原因。常规知识解释说，对一个连接器“最小的”正压力是100g。这种常规知识之来源不为人所知，但可以追溯到一篇1970年贝尔实验室中的文章。不考虑这个来源，最小量也总是阐述成10g以上。所得到之结论是（如在参考1和2中所讨论的），最小正压力之剩余必须能够保证氧化膜之破坏和端子接触面在不同应用环境下之稳定性。 简单说来，但不是简单量化，正压力之要求由在连接器操作环境中的机械及热条件下保持端子接触面完整性之要求所决定。 如果在一个连接器中，理想的情况是将正压力“最小化〞，那么产生正压力之机械就会变得令人感兴趣。除此之外，对于在连接器应用过程和使用寿命中保证正压力稳定性有重要作用之设计因素，是值得讨论的。这些影响稳定性之因素将会进行一些细节讨论，但为了做这项工作，必须对在连接器中正压力是如何产生的进行讨论。   6.3 端子正常作用力及端子设计 在连接器里，端子正常作用力主要来自于两连接器插接时插座之端子梁因与插头配合产生的位移，该位移产生的弹性恢复力就是端子正常作用力。   6.3.1 材料性能和端子正常作用力 材料性能是决定端子正常作用力的基础，其性能指针是伸长（或称弹性）系数和弹性极限或屈服强度。为方便起见，图6.7根据应力与应变曲线指出这几个性能指针，伸长系数是应力与应变曲线线性部分或称弹性变形区的斜率，因此其亦称弹性系数；弹性极限强度是指某一临界点，于该点之前应力与应变停止线性关系，而此时塑性变形即将开始；屈服强度是使塑性变形进行到某一定程度时之作用力，在绝大多数情况下，屈服强度被指定为产生0.2%或其它定值之残余变形所需的作用力。下面我们将要讨论的是已知端子梁之几何形状如何将应力与应变曲线转换成力与位移曲线。 假如把端子近似视为一悬壁梁，遵循图6.8之注释，可得出有关端子正常作用力和梁设计参数之等式 　　F=(D/4)*E*[W*(T/L)3]　，　　　　　　　　　　 　(6.2) 其中　　Ｄ==梁位移量 　　　　Ｅ==材料弹性系数 　　　　Ｗ==端子起拱处宽度 　　　　Ｔ==端子起拱处厚度 　　　　Ｌ==端子起拱处长度 该等式包括三个要素﹕梁位移(设计选择)、弹性系数(材料参数)和端子拱起处之几何形状(亦为设计选择)，其中每个要素都是独立的，且据不同之考虑导出。 由Lowenthal et al.报告的将上述等式运用于工程中，为端子承受正常作用力之连接器设计或材料选择提供了理论依据，该研究中端子之几何形状与图6.4d所示相似，其具有两个独立端子梁，其中每一个端子梁可视为简单的悬壁梁，如6.2式所述。 图6.9摘自参考3，其为铜合金之选择提供了端子正常作用力和梁位移之关系(如6.2式所述)。以下讨论将只限于下面三种材料﹕C51000(磷青铜)、C72500(铜镍锡合金，725合金)和C17200(铍铜)。这些合金的材料特性如图6.9和图6.10所示，其它合金材料特性均罗列于参考3。 梁之弹性率和正常作用力与位移之比例由下式可看出 　    　　F/D=(E/4)*W*(T/L)3                          　（6.3） 该弹性率对应于图6.9所示的正常作用力与位移曲线之初始斜率，且该斜率的变化趋势与材料弹性系数的计算结果相类似，这就是早期将形状一定的端子的作用力与应变曲线转变成力与位移曲线的依据，此三种合金的斜率数725合金最大，铍铜次之，磷青铜最小。 端子之工作范围设计应包括位移从0.0025英寸至0.05英寸(0.0635毫米至0.127毫米)之范围内，如6.2式所示，与其它两种材料相比，磷青铜端子所受的最小正常作用力(最小位移对应的力)较小，这主要取决于其较低的弹性系数，根据6.2式，端子梁的位移一定，如果要得到较大的正常作用力，可通过改变端子梁的几何形状而获得，正常作用力与梁宽度呈线性关系，而与梁长度和厚度则呈立方关系，为提高正常作用力可改变上述每一个参数。 提高梁宽度会有一负面影响，即难以保证连接器端子间间隔大小；而减小端子长度会使得端子柱的接触长度变小，这也是一个潜在的消极影响；另一方面，提高端子梁厚度可减小整个端子的几何变形，但对于相同的正常作用力，其却受到最大的冲击，比如在其它条件相同的情况下，梁厚度为0.0105英寸(0.2667毫米)的磷青铜端子将能弥补弹性系数的差距，而达成与梁厚度为0.010英寸(0.254毫米)的725和铍铜端子相同的正常作用力和弹性率。   6.3.2弹性变形之极限 公式6.2仅适用于端子梁之弹性变形。从图6.9之数据中可以清楚地看到，情况不总是例证之端子那样，725合金之变形量随力的变化曲线关偏离了线性方向，并且图6.10表明了725合金在变形到达最大变形量0.005英寸(0.127毫米)之前就存在永久变形。铍铜与磷青铜保持"弹性"。725合金之屈服强度较其它两种材料稍微低一点，但其弹性极限比其它两种低得多。因此，它在少量变形情况下就呈现塑性，在此设计中，其在未达到设计变形量0.005英寸(0.127mm)之前就已产生了一永久变形。 端子变形量超出其弹性变形量范围，会对主应力产生两方面之影响。在连接器首次装配过程中(最初之弹性变形)，如果端子梁开始塑性变形，则主应力与变形量关系曲线将为非线性。换言之，有效之弹性系数将下降，并且在一定塑性变形情况下之主应力要比在弹性变形下之主应力低得多。 另外，在随之进行的装配中，端子梁会产生永久变形，主应力也会因此减小。永久变形之结果是使端子梁之设计变形量减小。例如，图6.10表明从连接器首次装配到产生最大之梁变形过程中，725合金将产生0.001英寸(0.0635mm)。这个变形意味着端子之变形范围将减小0.001英寸。因此能产生最小主应力之最小变形量为0.0025英寸(0.0635mm)，因此主应力会减小40%。在最大变形量为0.005英寸(0.127mm)时，主应力将减小20%，这仍是一个可观之数字。在设计时如果假定为弹性变形，不考虑永久变形，则主应力之实际值较期望值低20-40%。 图6.11中表明在首次装配后，永久变形将继续增长。由于变形过程中之端子弹性部硬化，永久变形将趋向于某一定值，这使得端子之屈服极限增大，如此则端子弹性部开始变形发生在其扩大了的弹性极限内。   6.3.3 应力松弛和正压力 公式6.4叙述了悬臂梁上的正压力Fn与悬臂梁的尺寸及悬臂梁上的应力σ间的联系，它是有关表明端子之所受正压力与其设计/材料参数间关系的第二个等式：         Fn=（σ／6 ）*（ WT／L2）      　　　　　    (6.4)         公式（6.4）表明了任何的应力减少都会导致正压力的减少。虽然应力松弛在第四章讨论过，但在这还是有必要复述其定义。 应力松弛是指应力在常应变的情况下会随着时间的延续而减弱。 就连接器而言，对公式6.4，我们可以更确切地定义为在连接器使用期间，随着时间的延续，正压力会以一持续的偏差而削减。换句话说，仅仅是由于端子悬臂梁受到了因其配合偏移而产生的应力，而其所受正压力的削减可看作是时间和温度双重作用和结果。当连接器的工作温度升高，此时应力松弛就更为重要了。图6.12论证了其关系。当悬臂梁位于其最大偏差0.005英寸（0.127mm）时，在96小时内，正压力会随着温度的升高而减小。在连接器处于其一种更为典型的工作条件即恒温的时候，时间对正压力的作用类似于温度对正压力的作用。图6.13出示了三种被选择材料在25℃到105℃之间其应力松弛的数据。在室温条件下，应力松弛对任何材料均只是稍微有影响，拿磷青铜的最糟糕的情形来说，在经过100，000小时（11.4年）后，其应力变化小于10%。然而在105℃的时候，可以看出应力会有很大损失，因而正压力会急剧减小。 图6.14是以又一种不同方式即永久性变形随温度的变化关系来表示应力松弛引起的结果。 在应力松弛的过程中，该应力是来源于有助于加工硬化的弹性变形和允许尺度变化的塑性变形间的转换。这种转换的结果如图6.14所示。很明显的，这种永久性变形随着时间变化而变化的趋势类似于正压力的损失随着时间变化而变化的趋势。由应力松弛而引起的永久性变形同样对正压力有影响，如较早以前讨论过的机械永久性变形﹕梁的可用偏差减小，正压力伴随着减小。 由于温度应用的要求增加，如何控制永久性变形也变得更加重要了.虽然，正如附注4和附注5中所讨论的，设计因素对永久性变形也会有影响，但是控制永久性变形的办法主要还是通过对材料的选择.第四章给出了一些供许多铜合金参考的永久性变形的数据。 ．总结． 这种典型悬臂梁端子的特性反映了因端子所受正压力而产生的梁的偏移和应力松弛的重要性。由机械加载或应力松弛所引起的永久性变形，其减小了梁的可用偏差，降低了正压力。这使得我们更希望弹簧能一直在其伸缩范围内工作，直到正压力达到最大并还原。应力松弛可以靠操作的温度对长期的正压力产生重要的影响。正如第四章、附注4和附注5中所讨论的，在处理应力松弛时，材料的选择是主要的。 附图说明﹕ 　　图6.11表示的是三种都做成典型端子几何形状的端子材料其端子永久性变形大小与其配合周期数的关系图。其由AMP公司提供。 　　图6.12表示的是三种都做成典型端子几何形状的端子材料其端子所受正压力大小与其放置96小时之后所受温度的关系图。其由AMP公司提供。 　　图6.13表示的是磷青铜、合金725、镀金铜三种材料在25℃到105℃间其永久性变形大小与时间的关系图。其由Olin公司提供。 图6.14表示的是三种都做成典型端子几何形状的端子材料其永久性变形大小与其放置96小时之后所受温度的关系图。其由AMP公司提供。   6.4 正常作用力和结合力学 如果说具有可分离性是我们使用连接器的主要原因，那么很有必要了解结合力学及其如何影响结合点的寿命和结合力大小。结合力学中有三个主要因素，即端子正常作用力，端子几何形状和摩擦系数。 图6.15所示是一条结合力与插入深度曲线，其将端子结合的两阶段里插柱在插座的位置反映出来。 在第一阶段里，当端子正常作用力施加于插柱时，插入作用力快速增加，在该段曲线里端子梁不断发生偏移，此时曲线的斜率由结合的插柱或插座的表面几何形状、摩擦系数和端子梁的伸长率决定，亦即梁的位移与施加的作用力的比例；在第二阶段，正常作用力达到最大值，端子梁的位移亦达到最大值，且插座之端子梁沿插柱滑动，并因此产生一个摩擦力，该摩擦力大小由摩擦系数和端子正常作用力决定，而最大插入力是最重要的参数，因为它决定了施加多大的力可与连接器结合。下面分别对这两阶段作一讨论。   6.4.1 第一阶段﹕插入阶段 当插柱开始进入结合区，插座的端子梁产生位移并承受端子正常作用力，同时，插柱开始顶着端子梁进行滑动，相对的会产生摩擦力，由于摩擦力的方向与运动的方向相反，因此使得插入力增大，故最大插入力主要取决于摩擦力的大小和方向，而摩擦力的大小取决于摩擦系数μ和端子结合接触面的几何形状，所以，对一定的正常作用力，最大插入力取决于端子结合接触面的几何形状和摩擦系数μ的原因是这些参数决定了摩擦力的大小和方向。 下面最大插入力的等式是将其简化成施加于两夹角为α的平面上，这条件与图6.15所述的结合面几何形状类似，但这是忽略端子梁位移而不是正常作用力。 　Fi(max)=2Fn(max)[(sinα+μcosα)/(cosα-μsinα)] 　　　 (6.5)             其中   Fi==插入力         μ==摩擦系数        α==结合面的夹角，如图6.15所示 在插柱插入过程中，结合面的角度随着插座与插柱的几何形状变化而发生变化。 如图6.16所示，对于100克的端子作用力和一定结合面夹角α，不同的摩擦系数对应于不同的最大结合力。在未加润滑的情况下，镀金端子末端的摩擦系数的公称值是0.3。图6.16表明﹕在这个简单的模型里，当结合面夹角由15°变至30°将使得结合力增加75%。   6.4.2 第二阶段﹕滑移阶段 一旦端子梁位移达到最大，亦即插柱已达到相对插座端子插柱表面的滑移点，此时插入力可简单视为摩擦力，如6.6式所述         Fi＝μFn                                       　（6.6） 其中    μ==摩擦系数          Fn==端子正常作用力   ．总结． 最大端子结合或插入力取决于结合面端子的几何形状、端子的正常作用力和摩擦系数，且这其中每一个变量都是独立的。可通过使用端子润滑剂减小摩擦系数，从而大大减小结合力。另外，有关结合力学的研讨可参阅参考6和7。 显然，连接器结合力不是简单的各个端子结合力的累加。另外，如果在结合过程中发生端子不重合或对准不良，端子松动以及插头与插干涉都会大大增加连接器的结合力，故当连接器的针数增加，端子插入力和结合力应重点设计。6.5 端子擦拭接触效力 如第一和第二章所讨论的，建立一个金属接触面对于低稳定接触电阻来讲是极其重要的要求。视接触镀层和应用环境而定，可能需要清除各类膜层、污浊以确保金属接触。擦拭接触效力与在连接器配合过程中移走膜层、污浊之效率有关。 有关于连接配合的两个术语经常被交换使用﹕接合长度与擦拭接触。接合长度特别是指公端子插入母端子的全部距离。擦拭接触通常指的是端子表面相对于另一面之运动。接合长度与擦拭接触在大多数例子中从几何学角度来讲是一样的，它们的功用却明显不同。接合长度之要求是需要保证端子在任何容许条件下进行配合；例如，壳体之形变部分导致连接器沿其长度方向弯曲。这种要求与特殊的端子尺寸有关。典型之接合长度可以是100 mis 或更多。在另一方面，擦拭接触效力要求保证有效转移表面膜层与污浊，这些表面膜层与污浊产生于明显少于100 mils之距离上。 擦拭接触效力由接触几何形状，接触正压力，擦拭接触长度以及必须要被破坏或移走之该种污浊。在这一节将讨论擦拭接触效力中关于确保移走在电路板上灰尘上的最小必要擦拭接触距离的内容。这一节之内容是总结于Brockman， Sieber，和Mroczkowski的两篇论文。 有两种擦拭接触方式被考虑过了。在第一种方式中，施加了全部的正压力，这样擦拭接触动作就发生了。这种方式模拟典型的连接器配合条件，在这种条件里，为了进行配合接触梁在一定之距离完全偏转。在第二种方式中，擦拭接触只在施加了正压力的时候才发生，这种方式是要模拟在零角度力连接器中的动作。这里的讨论将限于第一种更典型之方式。第二种方式的结果在本质上一样的。 三个几何形状与两个正压力值作为独立变量在擦拭接触距离被用到。这些几何形状在图6.17中进行阐述。这些几何形状分别被描述成半球形H，椭圆形E，圆柱形C。半球形的半径只有很小的0.060 in(1.524mm)，半球的长轴与短轴是0.040 和0.020 in (1.016 和0.508mm)，圆柱形的半径也只有很小的0.035 in (0.889 mm)。圆柱形与椭圆形在几何形状上是近似的，但在相对于端子长轴运动方向上有所区别。椭圆形之长轴平行于运动方向，而它对于圆柱形的长轴则是垂直的。所有的端子在镍层上都镀上了50μin(1.27μm)金。 全部50或120g的正压力施加于端子上，擦拭接触运动由于在X-Y工作平台上之运动面产生。在所有的情况中擦拭接触长度为0.025in(0.635mm)。 控制表面要模拟一种严重到不合实际状况的污浊。在表面50μin(1.27μm)的镍上镀有50μin的磷铜试样金上，为保持灰尘而涂有油脂，其上被覆一层看的见的灰尘。其它的试样在一个清洁及清洁涂油处理过的条件下进行评侧，发现没有擦拭接触的现象，最初的电阻是较低的，在擦拭接触过程中没有改变。 主要结果总结于图6.18与图6.19中。这些图在曲线开始平直部分表示实施接触受力。50g接触受力线分为接触受力区及擦拭接触区还有最后的由九个不同擦拭接触部分组成的稳定状态。接着擦拭接触开始，接触电阻的下降用以作为擦拭接触效力的衡量。接触电阻的稳定状态指示在接触几何形状、正压力等因素组合下，灰尘覆盖表面上之有效力的擦拭接触。 首先考虑50g接触受力量(图6.18)。半球形状的情况没有显示仅仅是实施接触受力就足够擦拭掉灰尘。当擦拭接触开始后，大多数样品的电阻经过几mil的擦拭接触后会迅速降至稳定状态。椭圆形的状况在转移灰尘方面没有如此有效力。擦拭接触的效力是边际性的，只有一些样品达到了一个稳定的电阻值。对这个有点奇怪的结果，一个可能的解释是，椭圆形在擦拭接触方向上的长度导致在端运动过程中，端子在灰尘上有上有下的滑动。圆柱形显示出很差的擦拭接触效力。 在50g的接触受力上，半球的擦拭接触效力看起来是很好的，在擦拭接触区域的0.010范围里达到一个稳定状态。椭圆形的擦拭接触的效力是边际性的，圆柱形是没有效力的。 如预计的一样，120g接触受力可以观察到同样的趋势(图6.19)，但性能有所改进。椭圆形的性能也有所提高。事实上，在120g接触受力的几个样品中半球不用擦拭接触动作就移走灰尘。在所有的例子中，擦拭接触的开端导致接触电阻实际上迅速下降到一个低稳定电阻值。椭圆形的性能同样也得到了提高，在许多样品中在擦拭接触时电阻固执地有所变化。圆柱形也改善了，但仍然在边际的情况最好。   6.5.1 总结 这些数字核实了这样的预测，即擦拭接触依赖于接触力各接触几何形状。增加了的力和较尖锐较有穿透性的几何形状产生较高的擦拭接触效力。然而由于较尖锐几何形状而提高之改善必须与由于磨损痕迹的位置而产生的损耗之可能性来平衡。另外，如Antler 所述，接触几何形状对产生和保持接触面之稳定性能有不同的影响，尤其是对在锡镀层而言。    6.6 耐久性 　　在第二章中我们曾讨论过接触正压力与耐久性的关系，其可简要概述为接触正压力决定接触区域及与此相关的表面损耗程度。大体上，随着接触正压力的升高，耐久性将下降。正压力的逐渐增加将使磨损机理发生变化。在应力较小时，摩擦损耗占主要地位。当正压力较大时，就会出现稠密的磨损，并且磨损速度将明显变快。机械磨损速度的加快与接触区域的增大和冷焊点的强度增加均有关。在Bowde和Tabor11中曾经介绍过，载荷变大将导致冷焊区域变大，强度增加，结果使其强度大于基体强度。在这种情况下，物料块的内部会出现问题，将出现更大的磨损块，这将使损耗过程加快。机构从摩擦到磨损的转换的载荷取决于表面的润滑状态，随润滑效果好而增加。 必须指出影响耐久性的其它接触设计原因。例如，接触区域的分布取决于接触面的形状，并且因此而产生固定的磨损痕迹。结合过程中预设的接触长度也会影响耐久性。接触正压力和耐久性这种相互依赖使得难以准确给出二者的关系。所有的接触面形状和接触动力对于确立耐久性能都很关键。 摘自Mreczkowski12的一个例子阐明了接触正应力和接触面几何形状的相互作用关系。该研究中所采用的物料系统是由不锈钢球轴承组成，这些轴承具有0.75μCo-Al及超过1.25μNi的镀层。图6.20和6.21为一些研究结果，图6.20为接触面形状不变时不同正压力之情况，而图6.21为正压力不变时改变几何形状之情况。 在讨论结果之前，先依次简要说明一下实验程序。图6.20中，每个磨损痕迹均由经过大量不同磨损周期的片段组成。获得具有大量磨损周期的单个痕迹的方法是在一定的周期数目给定之后改变磨损痕迹的长度。换句话说，250个周期后的磨损痕迹长度要比前一个250个周期的要短，而再过500个周期就更短。这样做仅仅是估测，长度的变化影响结果并非很可信。 由图6.20可知接触面形状不变时，磨损随正压力增加而加剧。50克和100克正压力的磨损痕迹很浅，200克和400克正压力的磨损痕迹随时间的增加从较浅的区域开始而转变为较宽较稠密的磨损痕迹，，这种转变是由循环压力、循环疲劳应力累积所产生的，这些应力最终导致镀层的破坏并改变磨损机理。在600克压力(这个数目对于金镀层是相当高的)下，稠密的磨损痕迹在第一个250周期就可以观察到，随之而来的是在更长磨损时间里的一系列的破坏。这当然是意料之中。当正压力增加时从磨擦转变为磨损。 图6.21与上类似，但产生的原因不同。这时，载荷及由此产生的摩擦是通过改变不锈钢球的直径而得到的不同结果。现在回顾一下第二章，增加正压力的结果是引起接触区域和冷焊的增加。在几何形状上集中载荷也会取得相似的结果，因为总的接触区域取决于应用载荷。正如Willamson 和Greenwood 13 所述的集中载荷分布会得到少数但较大较牢固的斑点。图6.21则示出了较尖利的几何形状将会加剧稠密的磨损。 图6.20和图6.21所示也说明了接触正压力与接触几何形状的相互作用关系。这种相互关系使人想到运用接触压力，该方案将在下一节中讲到。   6.7 赫兹应力与连接器性能 1989年，Kantner与Hobgood根据业界经验提出赫兹应力可以提供一与连接器性能有关的参数。Mroczkowski与Fluss提交了对此提议的鉴定。为理解此提议与鉴定，有必要作一简单的总结。   6.7.1赫兹应力 1881年，赫兹提出了用于计算两接触物体接触面上应力的模型。此模型假定有如下特征﹕ ＊光滑平面内的点接触 ＊与表面尺寸相比，接触面可近似认为一点 ＊弹性变形 ＊无摩擦 在这些假定条件下，赫兹推导出许多计算接触应力的公式，适用于多种几何形状接触表面。一简化的球面对平面公式就可满足本节讨论的需要。       　 σH=[Fn＊（E/D）２]１／３            　　　（６.7） 在这里，σH==赫兹应力 　　　　Ｆn==为所施加的外力 　　　　Ｅ==杨氏弹性模量 　　　　Ｄ==接触区域半径 此公式包括材料性能参数Ｅ、接触区大小参数Ｄ及接触力大小的设定参数Ｆ，上述几项都是独立变化项。   6.7.2赫兹应力的理论''有效性'' 赫兹公式用于分析弹簧的性能，并且上述的假定与此项应用有一定的关联。但对于连接器插接，情况大不相同。如第二章所述，端子接触面可以被认为是宏观接触区域的许多小的接触点。假定此描述成立的说，则假定１不成立，但接触的宏观尺寸可以满足假定２。因为独立的接触点很小，它们在标准法向力情况下就产生塑性变形，因此假定３不成立。假定４也是不成立的。出现这么多理论上的间题，赫兹公式看起来好像不适用于连接器。抛开理论上的难题，只考虑其基本思想是否可以提供某些指导。 Kantner与Hobgood介绍对于复数柱状端子所采用的最小赫兹应力值为150，000psi(磅/平方英寸)，此情况下，外力、连接器的典型尺寸及典型连接器材料的屈服极限都被赋予很高的值。对于高值赫兹外力(的产生)的理解存在两个方面的限制﹕较小的外力与凹凸不平的接触面几何形状，较大的外力与较平缓的接触面几何形状。考虑这两个极限是如何影响连接器的三个重要特性参数——接触抗力、疲劳强度及抗腐蚀能力。 　　．赫兹应力与接触抗力 假定端子接触面宏观尺寸可以被认为一独立点，则接触抗力的Holm公式可以表示为﹕ 　　　   Ｒcontact＝ρ／ｄ　　               　　　　（6.8） 这里，　Ｒcontact==接触抗力    　　　ρ==材料抗力    　　　d==接触区半径 从赫兹应力观点看，d是重要的参数。用较小的外力与凹凸不平的接触面将产生''高''的接触抗力，因为接触面积相对于较小的外力会很小，同样直径相对于较小的半径会很小。相反由较大的外力对较大的接触面积将提供高应力和高应力分布区。换句话说，对于给定值的赫兹应力所产生的接触抗力的大小依靠如何得到此赫兹应力。 ．赫兹应力与疲劳强度 　　从参考文献12中选取的图6.22对于接触疲劳强度同样适用。每一疲劳轨迹曲线都显示了相同的计算赫兹应力---115000psi，一个比最小推荐值小得多的值。很清楚，如6.5节所讨论的，疲劳行为也依赖于接触法向力与接触面积对赫兹应力交叉影响。 ．赫兹应力与接触腐蚀 接触面腐蚀之接触抗力的理论分析是基于从参考文献12中选取的图6.23。图中所示两接触面处于相同的赫兹应力下，图6.23a为较小的外力与凹凸不平的触面几何形状的情形，图6.23b为较大的外力与较大的接触面积。原则上，由于两个原因，图6.23a中所示的接触面较图6.23b中所示的接触面更容易腐蚀。第一，腐蚀性气体必须经过一段较小的距离到达接触区域。第二，金属接触区域更小并且流动的更快。从上述可以看出，接触面对于腐蚀的敏感性与通过何种方式达到定值赫兹应力有关。 ．总结． 兹应前述的讨论揭示了赫兹应力并不是连接器性能的良好体现者，因为认识到虽然定值的赫力对于连接器的三个主要特性–接触抗力、疲劳强度及抗腐蚀能力有着显著的影响。连接器特性对于设计变量的敏感性已经在上一节的实验研究中被着重强调了。   6.8 关于连接器设计/材料与连接器性能的实验性研究 1990年Eammons等人提出了一种饶有趣味的、称之为“微型系统连接器接头稳定性测试”的研究。在此研究中，种种商用的微型系统连接器，其重要的样品尺寸，会受到其所处环境即预先模拟成的工业应用环境中的那种混合流动气体的制约。在其影响下的端子阻抗的变化被作为一连接器稳定性的衡量尺度，10mΩ的变化量习惯上作为是失稳的标准。此研究涉及到许多传统设计/材料的变化及它们对连接器性能的影响这些要考虑的方面。这其中的有些资料在下面的部分会有概括。   6.8.1 孔隙率 如第三章中所讨论的，孔隙率是端子老化的潜在因素，这是由于在无遮蔽的底层金属上，其气孔处会受到气体的腐蚀。在前面研究所提及的环境下，其应该会促使气体的腐蚀就象腐蚀的迁移或蔓延那样。图6.24和6.25(说明书18中的图16和17)从两个角度表示了孔隙率和性能之间的关系。在图6.24中，孔隙率是用外观上至少含有一个气孔的样品的百分率来确定的。例如，那些图中突出显示的数据点给出的是关于孔隙率的测试，进行测试的连接器样品，将其暴露于氯蒸汽中，结果其80%的端子外观部位上至少有一气孔。关于其稳定性，连接器样品经验定显示近99%的端子其阻抗的变化小于10mΩ。这里要注意的是﹕随着孔隙率百分比的增加，稳定性会趋于减弱。一些高孔隙率百分比的样品显示，其阻抗变化均没有高出前面所说的10mΩ。此结论强调了前面关于孔隙率是一潜在的引起机构性能降低的因素的阐述。 以在每一端子上的气孔数这个角度来考虑孔隙率（如图6.25），正如我们预期的那样，其结论更是否定的。然而仍有一些多气孔的端子样品，将其暴露于混合流动气体中，其经针对于孔隙率所谓“降低”作用的严格测试，仍显示其具有良好的性能。 为什么孔隙率不像预期的那样被认为是有害的，图6.2（说明书18中的图13）中的数据给出了其一个原因。这些数据图解说明了用连接器的绝缘本体作端子接触面的屏蔽的有效性，这正如第1章所说的。关于暴露于上述测试环境中的相配合的连接器组及连接器对的半边连接器的测试数据也在此给出来了。暴露的插头其受影响下降最大，正如预期的那样，因为在多数情况下端子区域会直接地暴露于该环境中。暴露的插座其受到的影响较少，这只是由于端子深入在绝缘本体内，屏蔽效果成熟。而相配合的连接器组其具有良好的性能。换句话说，绝缘本体的设计对处于腐蚀性环境中的连接器的稳定性有重要的影响。   6.8.2 端子常态力和赫兹应力 在这篇研究中，认为端子常态力与赫兹应力是设计变量.图6.27和图6.28(Ref.18的图18和图19)对这一注意很感兴趣.当力或赫兹应力获得高的结果时，所有的参数显示性能得到了提高.不管是100g 的力还是150.000psi赫兹应力在辐照下的保护特性，但是数据并没有显示每个参数的临界结果.当认为高压力和高赫兹应力对耐久性及配合力有反面效果时，权衡和最适宜的重要性与设计参数的临界结果相比就得显而易见.这正是Ref.18结论所揭示的.   6.8.3 研究结论 引自Ref. 18，研究的结果获自于商业连接器系统的显著变化.它们不能显示性能，材料性能的传统测量与机械设计参数之间的明确关系.这不应被解释为说明，当前规范或设计操作应当修改.就是说，它的解释意味着变量之间的联系是非常复杂.挽句话说，理想上它应该是有差别的设计准则.连接器所面对的应用环境与性能要求的变化支配着设计/材料选项的独特评估与既定申请的权衡.   6.9 总结 这一章从几个独立的方面评价了一些主要的设计思绪，重点是端子常态力和形状以及它们对连接器的重要工作性能的影响，如机械稳定性、配合力、耐久性及端子保持力.有关对连接器设计的讨论及对连接器性能的实验室评估阐明了端子力、端子形状和应用要求是高度地互相影响的自然状态.连接器设计/选择要求考虑许多复杂的相互作用，对材料和设计的选择，对连接器重要工作性能如机械稳定性配合力耐久性端子保持力的权衡.这样的思绪以及对端子最小常态力要求的考虑，从而得出的网状结果可以通过重复先前的陈述作一个总结. 简单地描述，并不是简单地量化.连接器在机加工以及操作环境高温条件下，常态力要求是被保持端子接触面平直要求所决定的。 相似的注释同赫兹应力或实际上任何最适宜的端子设计/材料参数是有关系的。连接器的应用环境以及所发挥的功能会区分性能要求、设计/材料选项的重要影响、权衡特定应用的最适宜性的优先次序。   第七章　永久性连接概述   正如在第一章所讨论的，使用连接器的主要原因在于，出于组配、维护、轻便和/或改良的目的，在两个电子次系统之间提供一个可分离的连接。除了可分离连接，对于被连接的次系统，连接器往往还包括永久性连接。这些连接被称为永久性是因为一般情况下它们只连接一次。由于这个定义，它们不需要考虑结合要求间的权衡，比如耐久性和结合力这些在可分离接触面上为主导的考虑因素。正如将要被谈到的，这种自由允许以较大的力和变形来机械永久变形。 有两种基本的永久性连接：机械方式的和冶金方式的。机械方式连接是在端子上一个特殊设计的部分和与其直接或间接连接的次系统间建立和保持一个金属接触区域而形成的。如在第一章讨论的，机械方式连接包括卷曲式，弃皮式，压入式和包覆技术。卷曲和弃皮是线连接，而压入和包覆连接是与印刷电路板(PWB)，或者是采用直接方式(压入)或者采用间接方式(包覆连接)。 冶金方式的永久性连接的形成是通过一个液体媒介在接触弹性部与次系统之间形成一个金属接触面。冶金方式连接包括低温焊、铜焊和高温焊连接。低温焊和铜焊用一个中间媒介(焊料或铜)来产生液体。高温焊连接是通过直接将接触弹性部与所连接的组件熔化来形成的。 永久性连接将在这一章以及接下来几章进讨论。在这一章里，将回顾对机械方式永久性连接的一些基本要求。在第八章将要讨论导线与接头的材料与结构问题，其重点是它们如何影响机械方式永久性连接的形成。第九章将对导线与接头的机械方式永久性连接进行讨论。在第十章将进行PWB技术的概述，对于印制电路板的机械方式与低温焊方式永久性连接将在第十一章讨论。   7.1对于机械方式永久性连接的要求 在可分离接触面上，必须考虑对于机械变形和作用力的限制，这是因为它们对结合力与磨损的影响，然而正如所提及的，这些并不适用于永久性连接。这样较高的作用力与变形度可以被引入到永久性连接中来。然而变形与接触电阻、机械稳定性等性能特点之间的权衡必须又一次被考虑。由于这种连接是“永久性的”，它们也可能反而在电气和机械方面比可分离连接遇到更为为苛刻的要求。由于机械方面的要求，期望永久性连接会在组装与/使用期间承受较高等级的机械压力是不切实际的。这种可能性使得对于变形权衡的考虑更加重要。对于接触电阻的要求，无论是大小还是稳定性，也可能变得更加严格。 这些问题将会在以下对于永久性连接的基本要求的上下文中有讨论。 *紧密的/足够的接触区域 *“气密性的”接触面 *机械稳定性 *得到控制的变形 对这些要求逐一进行详细的考虑。   7.1.1紧密的/足够的接触区域 出于在第二章所讨论过的原因，对于紧密接触区域的要求对建立一个金属接触面来说是一个基本的要求。只有通过在一个足够的区域里建立和保持一个金属接触面才能保证接触电阻的低稳定值。电阻的大小取决于所建立的接触区域的大小。接触电阻的稳定性取决于保持在所处的应用环境里金属接触面的完整性。 对于可分离接触面，所述接触区域没有被赋予特别定量的值。相反，曾经被提到过的是，组成表面接触区域的粗糙分布应该包含足够数量的粗糙端子，以此来保证分布的产生好像是整个表面区域在进行。这种形为是因为这样一个事实，即如在第二章讨论的，所有的粗糙端子在电性上是平行的。 对于永久性电阻，这里有两个针对接触电阻或接触区域的经验法则。对接触电阻，一个准则是永久性连接电阻应和导体被连接的等效长度的电阻是同一个数量积。这种要求在一个碾压连接上不费吹灰之力就能目测到，在这个碾压连接上碾接桶的长度尺寸被定成“等效长度”。对于“接触区域”，根据以下Whitely的理由，有时假设一个与导体被连接的面积相等的区域。如果这个“等效接触区域”的要求满足了，连接中被挤压部分的电阻将达到一个最小值。图7.1以图示的方式解释了在一个圆导体和一个金属块之间的连接，对于图7.1的考虑可以理解这些理由。如果整个导体的横截面与金属块相连接，在导体中的电流就不会被挤压了。在这种条件下的挤压电阻由公式 R挤压=ρ/2d (7.1) 其中　　ρ=金属块的电导率，因为挤压仅发生在金属块上 　　　　 d=导体的直径 这是在这个几何形状里可得到的最小挤压电阻。 如果碾接桶的厚度被认为足够可以使电流完全传播，则考虑使用被近似为这一相同几何形状的碾压连接。如果足够的接触区域产生在导体和碾压桶之间，导体/碾接桶的结合近似出导体和金属块的结合，因为在导体上不发生挤压。这是接触区域设计目的基础，这个接触区域与导体横截面相等的---最小挤压电阻在这个区域内产生。其它的接触区域可以提高接触面的机电稳定性，但对于电阻的大小仅有很小的影响。   7.1.2 "气密"的接触界面 "气密性"是用来描述接触面本身的要求的，其通常的含义是要求接触界面具有一定的抗腐蚀能力。依据上述描述，接触面被认为可以封堵气体的进入，尤其是腐蚀性气体.气密性一般可通过以下试验来证明校验：将连接器外露于周围环境中，而在这种环境中用于制造这些连接器的材料的表面会产生斑点或者失去光泽.如果接触面保持没有污点情况，上述试验便证明了它的气密性。这些要求并不会直接影响连接器的性能，而仅仅作为抗腐蚀能力的一个指数一种指示，当然，这种抗腐蚀能力对于保证接触电阻的稳定是一个重要的考虑因素。   7.1.3 机械稳定性 在可分离连接中，机械稳定性是指连接器在应用载荷作用下防止移动而保持接触界面稳定的能力，这些应用载荷是连接器可能面对的震动/冲击或热膨胀失调这两种典型的应力。这种稳定性的要求对于减小磨损及减小腐蚀物的潜在影响是必需的，上述腐蚀物位于接触界面上或其周围。 在永久性连接中，一般来讲，机械稳定性的要求要比可分离连接严格得多，原因是永久性连接器更易于滥用。例如，线缆的碾压式连接部分可以直接拉长从而承受一定范围内的拉力。而能够实现的机械强度则取决于连接技术和连接器的整体结构。绝缘座的拉紧及定位的特点可以显著地增加机械强度和永久连接的稳定性。这些特点对于应用I.D.C(瞬时动作的偏移控制技术)技术的连接器来讲尤为显著。   7.1.4 变形的控制 对于变形的控制的要求就是对以下二者之间的权衡：要求保证最小接触电阻的接触区域和要求具有足够机械稳定性的接触区域。这种叙述类似于可分离连接中关于最小正压力的论述。在这种情况下，接触电阻由于接触面积的增大也就是变形的增大而变小.然而，较大的变形会减少导体的横截面，这将降低连接器的机械强度。因此，在机械永久变形连接的过程中必须控制变形量。这种要求被称为个体连接技术。   7.2 焊接永久连接 为便于全面理解，有必要就焊接永久连接作一些说明。当然，焊接永久连接也需要考虑接触电阻和机械稳定性的要求。不过在这种连接中焊点的尺寸决定其性能.而焊点的尺寸和几何形状又取决于焊接技术和连接器本身的设计.通孔和表面粘着技术在这两个方面都存在着明显的差别，本书第十一章将对此作简单说明。在连接器发展日益小巧的趋势下，焊点及其性能(尤其是负载时机械强度和塑体变形度的性能)变得越来越重要。关于这一部分的详细说明读者可以参考这方面的相关资料。   7.3 总结 对于机械永久连接的要求可以概括为：这些连接和被连接的相同长度的导体而言，在接触电阻的大小/稳定性和机械强度方面应该是相同的，或者说接近相同的，这种要求等于再一次强调了在第一章中曾经提到的永久性连接应该是线/缆或印刷电路板到它们所连接的实体的延伸。 第八章 电线与电缆   电线与电缆这两个用词很常见但却不容易区分，根据IEEE的定义，电线是指导电体加上可有的绝缘体，因此一根露的电线与一个导电体是等同的.当然，电线的电气连接点是导体制成的。这些连接点的终点操作在卷曲和遮蔽之前或在绝缘体挽置时，绝缘体会被移动。 电缆有两种常见类型：对电线提供机械保护或便于电线处理的复选电缆，如加套和带状电缆；与倾向于提供特定的电气工作性能的电缆，如防护传输线或同轴电缆。当然有些电缆构造混合了全部优点，如图8.1所提供的电缆就是例子。图8.1a显示了一个双层外套的导体电缆，图8.1b显示了带状电缆的形态结构。这些电缆并没有提供很好的电气工作性能。图8.1c和图8.1d所示的电缆提供了这些优点，图8.1c所示的防护传输线状电缆控制了阻抗，和非传导性的材料一样用于空间和导体直径受到限制的地方，环绕在电缆周围的防护套可保护其不受电磁干扰。图8.1d所示的同轴电缆利用不同的形态结构提供了同样的好处。 这一章根据用途和特性来组织，提供了电缆材料，构造和工作性能方面一个总的看法。它们同如同卷曲一样形成固定的机械边结和绝缘替代边结发生联系，更多的电线和电缆的细节讨论可从Refs.1-3找到。   8.1导体 当然，导体的功能是在两个电气系统或电系统之间提供一个传导的路径.导体通常是金属，这样可以利用金属固有的高导电性及机械强度与制造方面的优点，导体可以由两部分组成，导体的基体金属及在许多情况下可以提供防蚀保护或特定工作性能的末端或外套。每一部分都认为是分开的。 铜是在导体广泛应用的金属，这是因为它在导电性，成形性和价格上拥有不可比拟的组合优势。其它的导体材料包括有铜合金和铝，之所以选择这些材料，是因以它们在导电性，拉伸强度，重量和成本方面的组合特性，使之作出应用决定，因以这些因素是非常重要的。 末端包括锡，银和镍，末端的选择主要是依据在温度，频率和细节方面的应用要求。 8.1.1铜 铜易于延伸，从而有广阔的形状范围，能提供在安装方面必需的柔韧性，能应用于各种不同的要求.导体直径的较高限制是由柔韧性要求来决定的，较底的限制则是根据电线的拉伸强度的降低来变化，通常是一些制造或处理方面的原因。通过一些普通的方法(如机加工或焊接)得到的铜导体的终点是明确可信赖的。铜常被用来退火或快速回火，这样会对拉伸强度，导电性和易弯曲缺点带来的电阻产生重大原影响。   8.1.2铜合金 铜合金用于对拉伸强度有应用要求时，但它通常会造成导电性能的降低，即便是低含量合金，高强度合金的例子包括铜-镉合金(C16200)和镉-铬-铜合金。合适的导体合金的选择是一项复杂的工作，包括了对成本，重量，导电性，治金性及终点工艺需求的适宜性的考虑。8.1节包含了对电线和电缆中应用的铜合金的电气性能与机械性能的编辑，电气特性可以用两种方法列出：根据Ω/cm的材料电阻和国际退火铜标准所规定的导电性，即IACS的百分比。   8.1.3铝 铝有良好的导电性与较轻的重量，但是与铜相比，其较难接到终端上.。这些特性使得铝应用在对于重量减轻要求比较严格的地方，例如航空、汽车等行业，然而对于终端连接技术的发展给予了较强的重视。铝及铝合金的一些电气与机械性能在表8.1中已给出。 从终端连接角度来看，导体铝连接终端有困难归结于两个原因。第一，铝的表面形成致密的氧化物保护膜，导致连接终端的许多焊接及机械方面的工艺问题。焊接需要在焊锡与表面有难去除有氧化层的金属导体间形成金属间化合物。氧化层由于其厚度与附着力会影响机械电连接。第二，，铝对于潜伸是敏感的，潜伸-材料在压力下的流动-此因素在设计机械连接工艺时必须要考虑到。这样就需要在铝线端头处存在一弹性体，使得在金属流动时其残余应力可维持连接的稳定性。 铝有低的疲劳强度与有限的弯曲能力。这些负面特性限制了铝导体的应用。铝导体应用最广是在大功率输电线、地下电缆及高空电缆(高空线缆中有钢制增强线芯)、内部连通和buss bar。   8.1.4导体镀层 铜导线通过涂、电镀或包覆几种金属来增加其对于腐蚀及升温的抵抗力。绝大部分金属是锡、银及镍。锡与银为铜提供保护，当某处不可避免地出现高温及影响绝缘性的情况，从而导致铜的绝缘性能下降与铜的腐蚀。镍基本上用于提高抗高温性能。 锡镀层提供抗腐蚀保护是由于第三章所讨论的锡自身限制氧化的特性。锡也能提高端头性能在焊接方面，因为锡是焊料的一部分，在机械式永久连接中，如第三章所讨论的，卷边与IDC存在较容易的氧化物转移，增大了所需要有金属接触表面。镀锡导体被应用在许多商业设施，但与bare导体相比有价格上的损失。然而，锡的高电阻率限制了其在低频设施上的应用，这些低频设施其表面效应可以忽略。表面效应是指随着电流频率的增加，导体中电流会靠近导体边缘流动。 相比之下银用在高频设施上是有利的，它的高导电率增加了导体的导电性。银在同轴导线及线缆设备中属于普通导体镀层，因为它有价格较高。 镍能提高铜导体的抗高温能力通过其直到250°C时的氧化保护膜。镍镀层对于焊接与机械连接端头的简便性均会产生负面的影响，尽管此两影响可通过适当的处理得到解决。   8.1.5导线的结构 导线是由单束或多束纯金属丝组成，或者由成束的导体组成。每一种组成都有其优点和缺点。 “实心导线”.　实心导线比起搓合导线来，成本低并且在相同的横截面上体电阻较低。较低的电阻再加上较高的热导性，使实心导线对于给定的导线尺寸有较高的额定电流。但是它们的挠性和抗弯曲性不高，在脱剥绝缘体时，要比搓合导线更易受到损坏。实心导线表面上的一个刻痕或擦痕，经过持续受力可以传到整个横截面，从而导致导线的损坏。对于搓合导线，这种损坏只局限在受损坏的单个导线中。 “搓合导线”.　搓合导线的应用主要是跟实心导线相比，它们出众的挠性及抗弯曲性。这些益处得益于用在一个导线上搓合结构，在图8.2和图8.3中展示了这样一些导线。 搓合结构中束状搓合与绳状搓合在复杂性个不一样。在束状搓合中，所有的导线被当成一个单位，在单独一股的相对位置上没有任何控制(图8.2a)。束状搓合导线呈现了最高的挠性，在制造中可能会也可能不会进行螺旋式缠绕或是捻合。在很多种搓合结构中，一个中心导线被外面的导线层所包覆(图8.2.b)；在这种结构中，每一层的线股数增加六个。在用于高股数的绳状结构中，单独导线股被多导线束所代替，这些导线是以相似的结构束状搓合成的(图8.2c)。  图8.3是所选择的同心导体之结构示意图﹕（a）单层（b）等边层（c）完全同心分布。由AMP公司提供。  成束的金属成同心的排列方式，如图8.26所示，可以通过层和另一种层区分。如图8.3所示，若导线在加工时是弯曲的，那也能曲分。在单层结构中（图8.3a）导体层只有单一的间距。在等边的结构中（图8.3b）导体层也只有单一的间距。但是导体层在扭曲的方向上是交替变换的。在完全同心结构中（图8.3c）导体层扭曲的方向和间距，每一层都有不同。  导体层每一层的间距和方向都变换是为了导体间相互距离和导体的全部尺寸及稳定性。单层结构最具有柔韧性但控制导体的稳定性和尺寸的能力最差。完全同心结构控制所有要素的能力最强。显然，这种尺寸控制包含面本的增加，更复杂的导体结构只有在成本划算时才用。增强尺寸的控制能力对于计划发展电缆在IDC的应用特别重要，这正如第9章所述。 成束的结构对柔韧性和电阻也有影响。例如减小层间的间距，结果柔韧性降低，但电阻却有提高，这是由于导体的弯曲了导线的总长度。 成束的导体可以由一层能够包覆整个导体长度的锡铂外被将其捆在一起。如果此种外被用在预先包有锡铂层的金属导体束中，这称作双外被的铜。如果在裸铜导线中，则称作具有顶层外被的铜。这种做法稍微经济些。所有叙述表明了柔韧性减弱以及由于振动和机械滥用而更易折断的趋势。其也展现了更强的尺寸控制能力，以及导体位置在导线中更加稳定，这两点能推动IDC的进程。   8.2绝缘 导线绝缘有机械和电子的功能，各自的主要性取决于应用的场合。绝缘的要求也有变化，取决于电线或电缆应用是否须考虑。除了以上因素，绝缘体的化学和热学稳定性也要着重考虑。这些特性自然是取决于绝缘体的材料、结构及尺寸。各式各样的高分子材料被用作电线和电缆的绝缘体。   8.2.1 机械考虑 电线和线缆绝缘体的机械性能要求是能避免导线磨损以及减小导线的使用应力。绝缘体的材料特性，即硬度、抗拉强度、刚度和磨擦系数会影响其使用性能。对于单线，仅因其导线的尺寸和数量与线缆不同，其承受的机械应力一般比线缆小，因此将对线缆的机械性能比对电线作更重要的讨论。对于小规格电线，绝缘体主要是承受搞拉应力。 对于永久性机械连接，绝缘体的机械性能可以从多方面进行讨论。对于卷边连接，可重复且可靠地剥去导线上是一个侧重点，而对于绝缘体断层连接（IDC），当电线插入绝缘体断层连接（IDC）的狭缝时，绝缘体的断层处于临界状态。这将在第九章讨论。   8.2.2电的考虑 根据使用的频率不同，电线与线缆的电性绝缘可分为两类，一是低频绝缘，其乃通常所说的绝缘，以确保导线间或设备的导电组件间不会产生短路；一是高频绝缘，因其绝缘性能会影响信号的传播和电线及线缆本身的阻抗而使其显得比较重要，这将在往后的第十二章进行讨论。这些性能取决于绝缘体的非导电性系数和尺寸参数（犹指厚度），在高频领域，泡沫绝缘体通过其间夹杂的空气可降低非导电性系数，故多用于提高信号传播速率。   8.2.3 化学/热量的考虑 化学考虑包括清洁剂的稳定性、高温氧化、除添加剂的气体和易燃物，绝大部分的这些材料特性取决于材料的生产。热量考虑包括温度对绝缘体的硬度和伸长性或弯曲性的影响，以及焊接时短时间高温辐射的稳定性。由于这些影响主要由聚合体结构决定，亦即主要由材料决定。   8.2.4 绝缘材料 根据绝缘材料的用途，可将其分为基本的两类﹕一级绝缘和二级绝缘，其中一级绝缘直接裹住导体以提供电性绝缘，而二级绝缘以覆被的形式存在，可提供线缆内部导线以机械保护并有助于电线操作。据此用途对它们的要求是相似的但侧重点不同。图8.4表示一个具有所说的一级绝缘和二级绝缘的带覆被线缆的例子。由于绝缘材料的种类很多用途很广，在此仅选择数种材料进行说明。 一级绝缘﹕主要一级绝缘材料包括聚乙烯胺（PVC）、聚烯烃和氟化碳化氢，其中聚乙烯胺（PVC）于商业和低频运用领域占有优势，而聚烯烃和氟化碳化氢，尤其是其泡沫型号多用于高频运用领域。 聚乙烯胺（PVC）﹕到处存在的聚乙烯胺因其具有合理的价格和可由多种制程获得的优良整体性能而兴起，制程材料可是50%的可塑剂和添加剂，可形成一系列不同的柔韧度、强度和耐磨度，另外，一些PVC绝缘体为提高耐磨度而采用放射性交叉连接，PVC具有很强的非导电性和绝缘性，但非导电性或电容性损失限制了它于高频领域的运用，尽管PVC常用的操作温度范围是-20℃至80℃，但据其制程其可于-55℃至105℃的温度范围内操作。 聚烯烃﹕其包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和这些材料的共聚物，通过改变PE聚合体的密度可获得不同的PE绝缘性能，其高密度和低密度成品均被广泛使用，低密度聚乙烯（LDPE）是一种强度大韧性好的聚合体，其具低非导电性系数，这使它很适于高频运用领域，尤其是以泡沫形式进一步减小有效的非导电性系数，高密度聚乙烯比LDPE具有更高的耐磨度和强度以及与LDPE的最高常用温度80℃相比其可承受到90℃。 氟化碳化氢﹕用于一级绝缘的三种主要氟化碳化氢分别是聚四氟乙烯（PTFE）、多糖铁（PFEP）和聚乙烯胺（PVDF），与前述材料相比，所有这几种材料具有更广的温度适用范围以及强导电性能和机械特性，然而这些优点的获得是以材料成本和制造成本的提高为代价的，这使得它们仅用于需要特别高性能的地方。 表8.2总结了这些一级绝缘材料的一些主要性能，这些所给计算结果是公称值，制造者于制造过程中可能会发现实际获得的数值与这些数值相差很大。   8.2.5二级绝缘材料 下面材料主要用于线缆的二级绝缘或作覆被用，有时在一些场合它们也可能是大尺寸导线的一级绝缘。 聚二氟氯乙烯﹕聚二氟氯乙烯（说其商标「合成橡胶」倒更熟悉些）可用不同的制程生产以适应不同使用要求，和PVC一样，其聚合体可包括50%的添加剂以促进交叉连接和提高机械特性，该添加剂包括增强剂、增塑剂、防老剂和硫化剂，聚二氟氯乙烯具有很多优良机械特性，尤其是硬度以及作为防燃剂和耐油抗腐蚀性。 聚乙丙烯橡胶﹕聚乙丙烯橡胶（EPR）是一种具良好电与机械性能的聚烯烃共聚物，另外，它能适应不同天气以及不被酸碱和其它溶剂腐蚀。 聚胺酯﹕聚胺酯的热塑塑料和合成橡胶常用作覆被材料，聚胺酯的电性能不足以用作一级绝缘，但其机械性能，尤指抗拉和防震，使其成为很好的机械绝缘体，当给小直径导线提供很薄的绝缘时，聚胺酯也可用来作一级绝缘。 热塑橡胶﹕热塑橡胶（TPES）具有提供材料性能和加工性能的块状共聚体结构，以使其成为一种有用的覆被材料，TPE具有良好的低温弹性、低而稳定的非导电性系数和很好的伸长特性。 尼龙﹕用不同的制程可产出性能相似的尼龙，尼龙的优点包括低摩擦系数、高强度和耐溶剂，而缺点在于吸收水份和降低线缆柔性。 表8.3总结所述二级绝缘材料的一些特性。   8.3 导线及电缆的制造程序 　　导线及电缆的制造程序已达到一种高科技与自动化的成熟水平，使之能够高质量低成本。所有目前高产的技术及设备都是持续运行工作，许多还有联机操作控制及质量测试。   8.3.1 导线 对导线的综述是从原料开始的。压倒性的选择的铜，有时搀入合金以提升机械性能。通过在合适的退火阶段反复通过拉丝模，使得原料被拉成想得到的导线尺寸。 对于特殊应用的导线根据不同的需要，可一个或多个地进行绞线。当需要较大的弯曲耐久性与减小的成型力时，如前面所讨论过的，以一个很小的成本损失，可在一个很大的绞线方式范围里建立相等的横截面，即相等的载流量及电阻率。   8.3.2 绝缘体 大多数导线绝缘本体是采用射塑成型，一种可适用于较大范围尺寸，形状及材料的低成本方法。这种方法的操作具有很高的速度及很好的控制能力。裸露的导线，或者导线束，从塑模的中部被送过。在一个汞的作用驱使下灼热的塑料以包围状通过模具，从而使呈现的导线完全被绝缘体包覆。多个导线可以被送过一个特殊形状的模具以产生多心电缆。这样，射塑过程即将导线进行了绝缘又把这些导线固定在一个预设想要的布局上。射塑成型仅能采用热塑性的塑料。因为这个原因，这种方法趋向于使用在有温度限制要求的低成本产品上。不象其它方法，射塑成型对横截面的形状没有限制。因此，射出的绝缘体要被仔细地检测它的同心性以及最小壁厚。 一些成型用塑料随后进行处理以提高其热性或抗磨损性。用后射塑技术以提高初级绝缘体的例子是热或电子的(注﹕此处原书中有遗漏)梁部通过浸或是搅的方法与次级绝缘体进行聚合物的交连和涂刷。应用别的一些涂层可以改善其抗磨损能力以及提高它的介电能力。 在射塑成型中一个重要的制造考虑是成圆率或是导线或是导线束直径的一致性。不一致的导线很难通过射塑成型以覆盖持续一致的绝缘厚度。绝缘厚度在多导线电缆中尤其重要，为了达到它的最好控制，采用同心搓成或是实心导线是比较令人满意的。不一致绝缘本体厚度的影响可在扁平线缆的宽度上被积累并且使终接过程变得复杂，尤其是对预加了IDC(弃皮连接)的连接器。 另外绝缘导线的方法是浸入涂层、绝缘带包覆以及编织。浸入涂层的方法所用的聚合物是可在一种溶剂中溶解的，以产生一种所谓的“光泽面〞。一旦包覆在导线上并且干燥，这种聚合物能够产生聚合交连或是凝固以提升其抗热及抗化学性能。用以进行浸入涂层的聚合物包括聚酯、聚　亚胺及聚氨基甲酸乙酯。除了操作控制容易和低成本外，浸入涂层的主要优势包括产生被控制的薄绝缘体的能力，以及对于焊接的可适应性(因为薄绝缘体被焊接热量气化)。浸入涂层对于实心导线最有效力，因为提取一种可在搓合导线上产生无孔绝缘体的载溶剂是很困难的。 对于诸如聚　亚胺和碳氟化合物这样性能高，不可溶或是不可挤压的电介质，绝缘带包覆是一种常用方法。在这种应用技术上，包覆绝缘带以螺旋方式包在导线或是电缆上，随后进行熔合，或者不然进行粘合以形成绝缘层。绝缘带包覆能提供很细(0.02mm)但具有良好介电能力的，一致的绝缘体。 编织绝缘体同样包括多个螺旋包覆绝缘体，在表层/底层的进行包覆的方式中一般用纤维面不是绝缘带。各式各样的材料(包括绵布和亚麻布)和编织方式被用于商业用导线中。编织的绝缘体被射塑外皮套入或是被包覆，比如是橡胶以获得更好的抗磨损能力，加附标志以及提升加工特性。当玻璃纤维被应用时，能获得极高温度性能的绝缘体。   8.3.3 遮蔽 金属罩因为两种原因被应用在被绝缘处理过的导线上。第一，该金属罩可能只是一个遮蔽体，用以接地和防止外部的电磁干扰。除了防止外部电磁干扰外，该遮蔽体也用以控制内部的电磁辐射，如果听任这种电磁从电缆上发射出去，将对别的导线或设备产生干扰。 第二，遮蔽过的电缆会产生一个得到控制的阻抗(一种同轴电缆的情况下)，以提升其在高频应用中的的电特性。遮蔽同轴电缆的横截面在图8.5以图解方式阐明。所有的同轴电缆都是被遮蔽的，但不是所有的被遮蔽电缆都是同轴的。，对于这两种结构，同轴电缆的由于在同心度与尺寸长度上有更严格的公差面与被遮蔽的电缆有所不同。   8.4专门用途电缆 每一种导线和电缆都有一个唯一的成本、机械及寿命要求。当一种应用产品变得足够大时，这些要求就达到一种普遍的情况，导线的形式就被称为“专门用途的〞。这些专门用途包括工作温度，绝缘和导体类型，电缆结构以及可能的用途。这种类型以及它们的大多数关键性的性质，其典型例子在下面将给出。   8.4.1军用 这一种类的特点是，在恶劣环境条件诸如高温低温、弯曲、辐射和机械压力下的承受能力。导体，一般是铜，上面有镀层以提升其磨损能力。绝缘材料将经过挑选以提供高水平的化学及热的稳定性，和机械保护与支持。导线尺寸应用在所有范围里。   8.4.2电气方面 电气方面的应用包括家用电器。这种应用一般有高电压(110/220V)以及从几安培到几十安培的较高的电流。这些考虑影响着电绝缘体的必要厚度和导体尺寸。成本是也是一个重要的因素，各种射塑成型的乙烯基和聚乙烯成分被用到。一些电气方面的应用有焊接，而机械式连接在一些应用上占主导地位。卷曲式连接在永久性连接技术中占主导地位已经有很多年了，因为大多数应用用的是分离导线，但是IDC的应用却稳步增长，使分离导线被扁平电缆所代替。 扁平电缆使用的增多得益于几个原因，其中有改善了导线的加工、消除了接线错误、节约了空间，以及应用IDC技术达到的多线端接能力，所有这些使得制造成本得到降低。 两种总的扁平电缆类型是带状电缆和扁平挠性电缆(FFC)。带状电缆一般通过一些方法由圆形的导体构成，这些方法包括射塑成型、碾压及编织结构，而FFC电缆一般是采用一些技术通过将碾压过的铜导有聚合物包覆构成的。图8.6提供了带状和FFC电缆的例子。这种电缆被用在电气方面，主要是带状电缆，像在两个部件间的跳接线，以及在应用中有挠性要求。   8.4.3电子设备 由于需要传输大量的输入／输出信号，在电子设备中线缆的运用远超过单根电线的运用，然而，许多电子设备运用需要考虑电子特性，如串音干扰和可控阻抗，这也是多触点的需要。 当线缆里并联导线传输信号时，环绕导线周围的电磁场会影响相邻的导线，从而产生串音、在接地导线有不需要的信号或相邻电线信号失真的现象。 当信号频率增大，线缆和连接器作为传输线必须把可控阻抗作为重要考虑，要藉阻抗不重合和联合信号反射使信号振幅衰减最小化，可控阻抗是必要的考虑。 串音和可控阻抗将在第十三章作更详细的讨论，本章仅讨论一些有关线缆结构方面的内容。 串音．据使用频率需要，串音保护可有多种方式，一些用以减少线缆串音的常用技术包含﹕  * 物理分离  * 双扭线  * 编织屏蔽  * 覆带屏蔽  * 封闭屏蔽 有效的物理分离﹕仅取决于减小的电磁场力的倒转正方形规律。当空间够用，物理分离是有效的。但随着导线间距持续降低，现代的设计限制了这种技术的运用。 双扭线结构﹕通过简单两根电流载线彼此相互缠绕即可实现。这种简单的结构可以抵消一部分围绕导线的磁场，从而减少相邻导线间的干扰。然而，一个更有效的方法是分隔导线间的信号，并转化它们的极性，创造一对平衡线，以使该两导线的磁场很好的抵消。双扭线和隔离相邻邦导线之屏蔽双扭线都能提供可接受电气性能直至频率达到数兆赫甚至数吉赫。 编织屏蔽﹕好的标准度量导线于绝缘体上被子以不同的形状编织，经由编织的绝缘体覆层取决于怎样进行编织的编织导线的规格。编织屏蔽限制了其最大频率通过编织导线间的缝隙。当适用频率增高，电磁场能通过编织导线的缝隙泄漏出来。正改良的编织覆层具有一负面影响于线缆的弹性，这可能也会限制它的使用。 覆带屏蔽﹕导电带（常用金属化的麦拉）通过一些覆盖重迭被缠绕在绝缘体上，比起编织覆层得到巨大改善，多数带层提供改良性能以更高的成本，随成本增加，性能得到更多的改善。 对于很高的频率，即使覆盖提供的是优良覆层，那也是不够。在这种场合使用封闭屏蔽，封闭屏蔽很难制成导线以及终端密封。这限制了它们用于最大性能需要的场合。 可控阻抗﹕在这讨论中，电子设备使用的线缆局限于那些频率很高且必须作为传输线的线缆。在这样的运用中，同轴线缆作为考虑重点的例子。图8.5所示为下面讨论提供参考。两个性能参数起主要影响作用﹕即传播速度和线缆特性阻抗。传播速度对应信号传输速度，而特性阻抗从电力传输的观点看对有效偶合电力和减小反射波是很重要的。 对这些参数一般有两种表达关于线缆结构的。 传播速度VP如下式所示﹕ 　　　　VP=ε－1/2      　　　　　　　　              (8.1) 其中ε为绝缘体的非导电性常数。 特性电阻Z0如下式所示﹕  　　　 Z0=60ε1/2ln(D/d)    　　　　　　　　          (8.2) 其中ε为绝缘体的非导电性常数 　　Ｄ为外层导线的内径 　　ｄ为内层导线的外径。 该两参数取决于绝缘体的非导电性常数。特性阻抗还取决于几何参数。 绝缘材料显然是很重要的。低非导电性常数从信号传播的观点看是很重要的。这就是为何泡沫绝缘常用于发挥空气低非导电性常数的优势。 控制配合公差需要也是重要的。在式8.2假设其两导线是同心的，并且Ｄ和ｄ的变化会影响特性阻抗。由于小型化持续降低线缆规格，公差配合控制变得愈加重要。导线规格影响另外一个参数即信号衰减。小导线比大导线承受更大的衰减（日电阻性衰减）。正确的线缆选择唯一取决于应用需要。同样的装置将用到不同的可控电阻或传输线线缆，例如图8.7和8.7a所示的天线线缆、图8.7b所示的微波传输线线缆和图8.7c所示的双股线缆的可控阻抗结构。   8.4.4汽车 在严重的环境和需求成本的压力下，热性能和机械将汽车电线和线缆分为单独一类。趋向于用于电池和负载间的电线具有很粗的导线，可降低温度压力，下罩运用例如点火导线和传感引线会暴露在外界高温。（150℃是正常需要）和高机械应力，特别是摇摆和振动。在这样的场合卷曲式连接会变形。乘务室运用有低电压和环境需要并趋向于带状线缆和FFC线缆以易于制造。   8.5电线和线缆的选用指标 关于线缆选用指标的一些问题，对于高频运用前面已给出。对于低频运用，其它指标更加是相关的。如﹕额定电压、最大电流和额定温度。 电线或线缆的额定电压主要由绝缘导体的非导电性、耐压和它的厚度决定。然而，对于高压运用，必须考虑几何参数即可能会导致电晕放电。 电线或线缆的额定电流总体由额定电流产温升来决定。这样的话，额定电流取决于焦耳热，其变化如式子I2R，因此，取决于导线阻抗，而导线阻抗主要取决于导线材料和尺寸以及几何上更小的延伸。电流容量随着导线横截面的增大而增大。然而，对一给定的横截面积，平形或方形的导线比圆形具有更高的电流容量，由于较多的热量更易散发，而对影响电流的温升产生相关的影响。 散热也取决于绝缘体的材料和厚度，沿着线缆的衰减或电压点取决于同样的因素。   8.6总结 本章提供对电线与线缆材料、结构和运用的总体概述，细节内容请参阅参考1.3。   第九章　电线和线缆的机械永久连接   本章将回顾两种机械永久连接技术：卷曲式连接和弃皮式连接(IDCs)。卷曲连接用来连接单个电线或从线缆结构中分离出来的离散的电线的。IDC技术则主要应用于单个工具制造过程(tooling stroke)中扁平线的大量的连接(mass termination)中。这两种技术将分别予以讨论。   9.1 卷曲连接技术 卷曲连接是将要讨论到的技术中最古老的一个，它可以追溯到十九世纪四十年代。卷曲连接要求一个卷曲的连接系统，其包括： 　　*导线 *端子 *卷曲工具 卷曲连接技术出现之后，对于这样一个系统的需求变得十分明显(apparent)。 图9.1示出了卷曲连接的一个横断面。由提示可知，该横断面包含了卷曲连接技术的基本原理。(note未做翻译)所有的导体束在其它导体束或卷曲桶作用下都发生了变形。这些大量的接触面积包含了金属接触面，而这种金属面对于产生低接触电阻是必需的。接触面完整性的维持是通过对包围导体束的卷曲桶的变形的控制来达到的，以达到建立有压缩力(compressive)的残余应力的分布。这种变形是由导体和端子的尺寸及卷曲工具的几何形状决定的，这就是卷曲系统为何如此重要的原因。 图9.1所示的卷曲连接是由图9.2所示的手工卷曲工具完成的。图中所示的卷曲连接的横断面及卷曲工具可以追溯到1941年。注意(note)卷曲工具具有两个向内弯曲(machined into the tool)的不同的卷曲dies，以接收该工具为电线所设计的两种不同的尺寸。对于两个导线尺寸中的任何一个，两个dies对于确保导体/卷曲桶进行适当的变形是必要的。卷曲系统的每一部分都将予以分别讨论。     9.1.1 导线 本节讨论的重点在于﹕为达到较佳(properly)卷曲操作所需的特殊导线的准备要求。 由于卷曲连接的大部分是由束状导体形成的，以后的讨论中将假设(assumed)这种导线的结构。实质上，有两种要求：选择卷曲端子所用的适当的导线尺寸，以及从导线上剥去适当长度的绝缘皮以露出导线且不会破坏导体束。导体束的损坏包括导体束的紧缩、断裂和带状导体束(stranded conductor bundle)的磨损、张开(splaying)。维持导体束的完整对于确保所有的导体束在卷曲过程中被卷入(capatured)卷曲桶内很重要。导体的束状结构对于卷曲技术来讲并不重要，而其在就要讨论到的IDC结构中却起着重要作用。控制弃皮长度以确保只有导体进入端子的卷曲桶内。如图9.3所示的例子，这些要求在卷曲连接的检测标准中很重要。 大多数卷曲端子都设计成可以接收两个或三个不同的电线尺寸.卷曲工具／过程必须考虑选择电线尺寸以保证变形得到控制，这种控制对于repeatable卷曲连接是必需的.   9.1.2卷曲终端 卷曲终端有两种主有形式：开口圆筒和闭合圆筒。圆筒，更准确是指卷曲或金属丝卷曲形成的圆筒，它们在卷曲过程中供电线插入和并示在导体周围成形的终端形态。图9.4包括了闭合和开口和圆筒形卷曲终端，并显示了对应和电线插入操作。 它们的不同点是明显的，闭合圆筒形终端要求电线沿轴向插入，开口圆筒形终端则是垂直插入。这种不同点导致了开口圆筒形终端的操作速度有明显的提高，因为它供电线插入的区域比较大，而且垂直放置比较容易实现。开口圆筒形终端广泛应用于自动卷曲过程，闭合圆筒形终端也用于自动设备，但通常比例很小。闭合圆筒形终端通常在半自动设备中当作中空片使用。这两种类型在手动曲操作时都有应用。 它们在制造过程中也有一个不同点。开口圆筒形终端通常冲压成型而成，反过来说，闭口圆筒形终端有好几种制造方法，但冲压成开型还是常用的方法。机加工制成的闭合圆筒形终端被指定用于军事或空间天体中，冲压成形和机加工所得到的闭合圆筒形终端如图9.5所示。在图9.5a所示的冲压成形得到的卷曲圆筒在成形时产生了一条缝隙，这可能在成形或焊接后下来。而如图9.5b所示的机加工卷曲圆筒就没有这情况。 根据应用要求卷曲圆筒可能裸露或镀有锡，镍或金-镍。在卷曲圆筒的未端镀锡是比较常见的，尤其是在商业领域。这样的未端对卷曲圆筒终端的基体金属上的铜合金有保护作用，如同经过相同的机械设备使卷曲过程变得容易一样，这已经在第三章对端子的未端和分开的连接点讲述过。 有关卷曲终端的附加提高值得注意：塑料支持或夹紧，闭合卷曲终端的前端绝缘。 塑料支持圆筒(图9.6)的功能正如它的名字所提示的一样准确。使塑料支持圆筒变形，围在电线的周围，塑料伸出来长的部分被剥落，去支持或夹紧，以及提供了相等的应变荷，尤其在小型电线方面塑料支持和可以加强拉伸强度一样，在高震动环境下可以极大地提高卷曲连接点的性能。 在闭合卷曲圆筒终端，塑料支持圆筒通常是卷曲圆筒的延伸，而在开口圆筒终端看起来则是分开的情景。分别如图9.6a与9.6b所示。在这两情况下，塑料的支持与卷曲通常和电气/机加工卷曲一样用同一种工具制造和冲印。塑料支持的卷曲端与电线圆筒的卷曲端的不同之处在于塑料支持的卷曲端仅仅是去包住电线，而不会产生如导电端子卷曲端结构造成的同等变形。图9.7典型地显示了这两种结构在导体变形方面的区别。还需在指出的是对于开口圆筒终端其塑料支持的曲端形状有好几种设计，包括图9.8a所示的折层状和图9.8b所示的包覆设计。 虽然有些开口圆筒设计可以提供易于装配的优点，在闭合圆筒结构中塑料前端卷曲成圆筒还是比较常见。重要的是，塑料绝缘体通过不同的方式接触终端，并对绝缘体进行卷曲操作。当然，这要求绝缘体的材料有足够的延展性来应付卷曲过程的变形。绝缘体的一个重要功能是在应用的连接点中区分开短路卷曲的连接点与其它卷曲连接点或系统中的导体组件。   9.1.3卷边工具 卷边系统的最后一部分为卷边工具。存在相当多的各种卷边工具以满足各种不同应用的需要。工具包括从简单的手工工具到自动机械，它们用来测量所需导线长度、剥掉所需长度的绝缘皮，以及每小时卷4000个接头 [with a 3 in (7.6mm) lead lengeth]当监视卷边过程、卷边力和在连续基础上的卷边高度。 　　图9.9中提供了开放式柱状接头的卷边过程。如前述，裸导体从上部插入开放式柱状接头以利用其大的目标面积。对于封闭式柱状接头，导线的聚集和导引发生在轴向－最一般的是用手。实际上，卷边工具的作用是确保裸导体在卷边筒中的正确位置并且控制导体与接头的变形以保证卷边连接的永久性。变形的控制依靠导线及接头的正确对接、工具尺寸、工具动作的控制－特别是压罚机的闭合高度。 卷边尺寸在诸多设计中存在，其值为实际应用值或商业上所说的推荐值。例如，图9.10中所示的开放式柱状接头卷边尺寸广泛地应用在white goods 和其它商业应用方面。这个尺寸被称为F－卷边，因为在卷边的过程中，将未成型的卷边筒被折弯、卷曲、压入导线中。也许应该叫做B－型卷边，因为它更类似过程的几何形状。 军事或航空上四凹槽或四－八型凹槽型卷边来检验用机器卷边的接头的质量之优劣。图9.11表示了在接头处的四－八型凹槽卷边，并插入了一幅通过四个凹槽部分的横截面图。如图示，四个独立的凹槽可以成一条直线，或者每一组凹槽相互偏离为45℃。图9.12表示了W型卷边，还有其它许多不同封闭式柱状卷边的横截面图。   9.1.4卷边系统总结 多年卷边连接的经验显示，可大量生产且安全的接头依赖于卷边系统的每一个组成部分﹕导线、接头及工具。在为导体范围和卷边工具考虑的设计中，适当长度的导线对于卷边的永久性来讲是必要的。对于卷边筒与卷边工具的尺寸与公差的控制，必须在冲压／成型以及卷边过程中获得。如Whitelyd 1964年提出的﹕好的卷边不是随便发生的－它们是设计出来的！ 下一节将讨论支持卷边过程的一般机械装置。   9.2卷边过程的一般机械装置 下面的关于卷边机械的讨论，来源于Whitely，将说明控制导线和接头变形的重要性及这种变形对于卷边连接的机械与电特性的影响。   9.2.1在卷边过程中卷边连接的特性及变形 图9.13与图9.15表示了导体／接头的变形与卷边连接的某些电及机械特性之间的一般关系。图标的电与机械性能曲线的形状及相对位置具有代表性，曲线的每一个细节的变动与卷边系统有着很大的关系－特别是导体的尺寸与材料及卷边工具的几何形状有关。此讨论的目的在于将变形与卷边期间所形成的性能建立一普遍意义上的联系。   9.2.2 卷曲式连接的机械性能 首先考虑机械性能和变形的关系，其中机械性能是通过卷曲式连接的拉伸强度来监控的。一旦导线上的卷曲圆管（crimp barrel）开始变形，导线内部的导体束（conductor strands）与该卷曲圆管间的磨擦力就会增大。即（在弯曲变形开始起）该拉伸强度的值会因这些被增大的磨擦力而降低。 在卷曲过程中，导线的变形会导致其横截面的变形，且会导致导体束和卷曲圆管在长度方向上被挤出。在发生磨擦时、发生变形时及接触表面金属区域的形成过程中，前述两种情况（即横截面的变形、导体束和卷曲圆管在长度方向上被挤出）均会导致接触表面薄膜的破裂。正是由于一根根的导体之间及导体与卷曲圆管之间，在它们接触时所形成的前述接触表面金属区域，因而产生了机械接点（mechanical junction）。拉伸强度会持续增大，直到该变形导致总的横截面面积的减小量低于原导体横截面面积的减小量，这时拉伸强度减小（因为原面积保留了计算中的参考数据）。图9.13中给出了随着拉伸强度升到最大值的过程中变形的情况。 卷曲式连接的拉伸强度值与变形前的导线有关，其因导线尺寸的不同而不同。典型的是在导线快要断裂时的强度值。图9.14给出了一些导线尺寸的典型数值。图9.14还给出了一些依不同工业标准而对卷曲拉伸强度作出的要求。 此处对拉伸失败的机理作个说明。一般说来，卷曲变形低于拉伸强度曲线最大变形值时，该卷曲式连接会在导线分开时失败，而卷曲变形高于拉伸强度曲线最大变形度值时，该卷曲变形又会导致导体的断裂。如历史所记录的，早期卷曲习惯于在机械曲线的斜上方，从而缓解用户所担心的卷曲过程会“切断”导线里的金属丝。分离的失败说明这种切断并没有在卷曲式连接中发生。   9.2.3 卷曲式连接的电气性能 如图9.15所示，卷曲阻抗监控的电气性能相对于变形的曲线与机械性能相对于变形的曲线有非常明显的不同。二者最大的区别在于很大一个范围内的变形对应的弯曲阻抗变化很小，即所谓有一个较宽的“平台”（plateau）。 关于可分离界面，正如第二章所述，卷曲连接阻抗和变形的关系建立在诸多接触面上，这些接触面电卷曲圆管和导体形成。在变形的初始阶段，接触面积很小，与那些可分离界面相似，它将随着金属结合数量和范围的增大而增大。在卷曲阻抗相对于变形的曲线中，该曲线的“平台”类似于如图2.3所讨论的接触阻抗相对于正常接触力曲线中的“平台”。如图9.16所复述的，当有足够数量的金属接触面积产生以至接触阻抗已由接触界面的全部分布的区域所决定时，接触阻抗的“平台”就产生了。对于卷曲式连接也可做类似的说明。 一旦导体束与卷曲圆管之间的金属交接处达到足够的数量和面积，则导体对管的结合就形成了。至少在电气上是一同一性质的物质了。当这个条件实现后，导体不再发生收缩，如第七章所述（图7.1），在卷曲阻抗中的宽域的平台反映了这一条件。如果有附加的接触面积产生，超过了为使卷曲连接在电气上表现出同一介电性所需的面积，根据建议的模式，这将对卷曲阻抗的大小产生一些影响。这种模式有其局限性，（严格地说，同一物质的假定就是不确定的）这显然是由于随着变形阻抗会稍微地降低的缘故，这意味着随着变形接触面的这种同一介电性会在其边际上（marginally）持续得到改善。 这并不是说增加面积在联结的电气稳定性方面没有好处的。显然，附加接触面积的产生将提供过剩和保护，以防止在腐蚀中或机械振动中接触面积的减少。然而，继续变形将导致横断面的减少，那正如有关于拉伸强度的讨论，以及还将伴随着卷曲连接阻抗的增加。 还有一点需要说明，一般来说，电阻的最小值所对应的变形（通常很高）与导致最大拉伸强度的变形不一致。   9.2.4卷曲变形和卷曲高度 图9.13和图9.15的变形尺度涉及到导体和终端的综合变形的面积指数　面积指数是指卷曲后的横截面积与卷曲前电线及crimp barrel的原始横截面积总和的比值，它通常用一个百分数来表示。由经验可以得知，当面积指数在百分之65到百分之85范围内时，其可以提供符合机械及电气要求的最佳工作性能。一个好的面积指数是建立在卷曲系统组成部分基础上的，工具的类型都可以产生影响，例如自动工具与手动工具。在有些情况下，当电气工作性能比机械强度要求更为重要时，这种特定的要求使面积常数被限定在范围内的较低值，从而在剧烈变形下充分利用加强的电气性能。 当卷曲连接点的形状由电线/终端/工具综合而确定时，面积指数受到卷曲连接点的高度的控制和监视。图9.17显示了一个典型的卷曲高度的测量方法，卷曲高度和其它卷曲操作参数一起在9.4.4节讨论。   9.2.5变形的总结 图9.13和图9.15是下列关于导体/终端在决定卷曲连接性能方面作用的总结的图形说明。卷曲操作在芯线内许多股之间及crimp barrel之间产生了许多金属接触面，已经在第二章讨论过的这些金属接触面包括能使卷曲连接点的机械与电气牢固性的冷焊点。当进行卷曲时，导体的终端会产生接触和摩擦动作，从而造成表面变形，使得表面之间相互有机地流动，并最终导致表面薄膜的分解，这很容易产生冷焊过程。这里常讨论一个问题就是卷曲连接点的坚固性结果与表层薄膜(或表层平面)的分解及这些薄膜在冷焊过程中的影响的变异的不同。一般来说，为得到合适的机械连接而采取的变形要远大于为达到很好的电气工作性能而必需的变形，尽管在进行很大的变形时会产生最小的电阻值　正如所提到的，这种额外的变形可以提高连接点的导电性能。     9.3卷曲连接变形，冷焊及残余应力 根据上述可知，金属接触区域以及它们对电气及机械性能的影响方面的发明背景主要考虑卷曲连接。在应用中，当连接点受到外力时，卷曲连接点的性能便依赖于金属接触区域的完整性。这种影响会带来两种不同的现象，金属接触区域的发明的实现需要靠已在第二章中所揭示端子表面的严格结构的冷焊来实现。分布在卷曲连接点的合适的残余应力使保持冷焊点的完整性变为可能。各个相互联系的独立的冷焊点很小，因而其强度也受到限制。当所有的焊点能保持其受到的力时，它们的整体强度就很巨大了。残余应力通过使冷焊连接点一起发生作用可以实现卷曲连接的这种性能，为了理解残余应力及残余应力对卷曲连接的作用，仔细地去了解卷曲过程中变形的机理是必要的。   9.3.1卷曲过程中的变形机理 从简单的观点来看，芯线束和crimp barrel在卷曲时其直径及长度方向都发生变形。在变化过程中，直径方向变形的结果是，芯线束的横截面从圆形变成了先前图9.1所显示的变形形状，由于表层薄膜的分解从而暴露出的完全新的表层，在这种导线束结构变化的变形过程中辅助产生了冷焊。芯线束之间及芯线束与crimp barrel之间存在着力及微量位移，这些新的表层产生了期望的冷焊。　 长度方向变形的结果是导线沿crimp barrel长度方向延伸的结果，这些变形的同时会产生冷焊，因为接触区域的表层薄膜会延伸及分解并产生了新的自由表层。 这些可能在设计时就存在的同样的变形特性可以使期望的残余应力之分布得到改善并能保持冷焊点的完整性。当卷曲变形结束及拿走制造工具后会产生回复弹性，利用它可以控制残余应力的分布。由于在卷曲时产生了大量的塑性变形，因而通常有一个变形的弹性组成部分，其在变形后拿走治工具时会生回复及回弹。这两点机械特性在很大程度上决定了卷曲连接的性能，当然它们也可以独立地去考虑。   9.3.2冷焊 如第二章所讨论的，冷焊发生当金属表面十分接近以致于在接触的表面形成原子键来提供相互的粘着力。由于这些原子键，金属表面膜会被破坏和转移。前述讨论的径向与轴向的变形产生这种破坏。冷焊可能是由于此种原因而产生的。在卷边连接过程中的冷焊连接已经被Labonney注意到并由Mroczkowski与Geckle所检证。 在参考文献4中，论证了冷焊可以通过记录在导体和导体与卷边间之间的材料转移来验证。如此的转移要求其表面与原始接触表面分开，这被认为表明了连接形成于相互接触的材料之间，而不是基体金属上，如第二章所讨论磨损过程。为了论证卷边过程中的转移，以铜与银导体的复合导线被卷边，运用标准的接头与工具，卷成一黄铜卷边接头。在此系统中，转移的机会存在于铜、银及黄铜之间。参考文献4中给出了许多冷焊的例子，其中的一个例子就已经够了。图9.18中显示了铜和黄铜对于银导体的转移。之所以这个例子被选中是由于它显示出了较硬材料（铜与黄铜）对于系统中最软部分（银）的转移。此项例子表示出冷焊确实在卷边连接中发生。这样就顺序地验证了所要求金属接触表面的存在。   9.3.3残余应力 如前面所提到的，残余应力的作用是维持在外加载荷作用下冷焊处的稳定性。残余应力卷边筒／导体所组成的系统之径向与轴向变形所产生。图9.19大略地表示了这些应力，尽管真实的应力分布要比图中所示复杂的多。径向与轴向的残余应力的大小与分布有很大不同，这可能是由于不同变形运动所导致的。 尽管在卷边过程中导体与卷边筒都会产生塑性变形，但变形中也存在弹性的部分。卷边连接之残余应力是卷边工具移走后卷边筒与导体在径向及轴向的不同弹性回复或回弹所产生的结果。 在径向，当卷边筒发生弹性回复时产生残余应力分布，在自由状态，卷边筒比导体的回弹量小一些。如果是这样，则卷边筒会产生对导体的压力以保持冷焊处完整与协作性。理论径向残余应力分布依赖于材料性能，特别是弹性模量与屈服弹度，以及卷边筒的几何形状。卷边筒的几何尺寸和其厚度都对回弹性能有影响。导体的回弹由导线的尺寸和其股数决定。 轴向残余应力比径向残余应力更容易解释。轴向应力由于导体与卷边筒的相互挤压而产生。当卷边力移除后，导体与卷边筒将产生弹性回复。再次，理想条件是卷边筒的弹性回复比导体小。在这种情况下，有一个附加的设计选项可用。卷边工具可以设计成锯齿状，所谓的Bell-mouth (如图9.20所示)通过由锯齿产生的高值磨擦力来限制导体的回缩。这就在Bell-mouth处位于导体与接头之间产生了一个残余应力。 在卷边中的残余应力的计算很复杂，涉及弹性变形、高值磨擦力和复杂的几何形状。然而，随着有限元模型程序的应用能力在不断增强，模拟简单卷边连接和卷边过程已成为可能。Mroczkowki、Gecklet和Ling直接address模型的残余应力。图9.21，是参考文献5中的第15图，表示了卷边连接中残余应力的存在状况。最低的等应力线代表的应力值为4000psi。这些应力通过卷边连接模型的变形计算得到，根据当卷边筒和导体移走后发生的回弹模型。计算应力由两种回弹量不同所获得。这些应力的大小与位置以及相关的残余应力，依赖于前述卷边筒与导体的特性，也包括卷边的几何形状。 因为其复杂性，所以只有在卷边中须保持冷焊的完整性时才会去创造一些残余应力，这一点是须特别声明。图9.21显示了在卷边筒中压缩残余应力的分布。在bell mouth附近的残余应力如预期的一样，得到了前述的磨擦效果。   9.3.4 卷曲变形和卷曲连接性能的总结 卷曲连接在电和机械方面的性能取决于对导体和卷曲桶的变形的控制。变形的控制是卷曲系统的一个结果：(a result)导体，卷曲桶和卷曲工具。在变形过程中，产生的微小的冷焊金属结点提供了导体和卷曲桶间的电导率。冷焊也提供了机械强度，不过有利的(favorable)残余应力分布对于确保冷焊的机械完整性是必需的。残余应力的分布也取决于卷曲系统。   9.4 卷曲连接的其它考虑因素 除了上面所述，卷曲连接在设计和应用方面仍有一些影响因素值得考虑。   9.4.1 卷曲桶的锯齿状凸起 卷曲桶内incorporating锯齿状凸起为卷曲连接中提高冷焊和机械稳定性提供了一种可能。锯齿状凸起是一些卷曲桶内小的压痕(indentations)或者皱痕(corrugations)。图9.2.2示出了卷曲桶内的锯齿状凸起。源自Ref.4的图9.23说明了导体到锯齿状凸起的流动模式。该微观照片是通过小心地打开卷曲连接并将导体束移出而得到的。进入锯齿状凸起的导体束的变形显而易见。在变形过程中，导体束被固定于大量锯齿状凸起的内部，这提高了卷曲连接机械稳定性。 锯齿状凸起同时通过提供一个边缘(edge)也提高了冷焊工艺(process)，在这个边缘上，导体被磨损，这促进了film disruption且将作用力集中于锯齿状凸起/导体的接触面上。    由经验知锯齿状凸起可以明显提高最初的卷曲电阻(表现在冷焊的增强)和卷曲连接的长久性能(体现在增强机械稳定性上)。   9.4.2 "没有空隙"的卷曲连接 卷曲连接的横断面的Optical evaluation有时被指定(specified)为一个与卷曲连接等效的monitor，其具有一个平常(common)的要求，那就是卷曲连接应该是没有间隙的，也就是说在导体之间或导体与端子之间都没有间隙。这种要求趋向于保证两种卷曲特性：气密性和足够的接触区域。事实上，卷曲连接的两项要求中任何一项都不需要满足没有间隙这一点。如果那些可能存在于卷曲区域的空隙不被互相连接，气密性就将存在。A full area contact，from the contact interface perspective， will be obtained at deformations far less than those required to create a voidless crimp.   9.4.3 焊接卷曲连接 为了提高可靠性，卷曲连接有时会采取焊接方式。事实上，焊接会降低已经properly的卷曲连接的性能。这种降低可以是焊接温度的影响，也可以是焊接熔液清理不当或者在导体上产生焊接芯带来的影响。 在焊接过程中不可避免地暴露于高温使得导线绝缘部分遭到破坏，同时也是因为铜导体和焊料间过量的金属间化合物的产生，这些化合物可以使连接变得脆弱。焊接芯使得在震动下具有高韧性、高稳定性的大量导体束成为液体。这降低了所述的操作性能。如果腐蚀fluxes是用于促进焊接的，那么它们必须被清理掉以防残余fluxes引起卷曲连接的腐蚀。因此，卷曲连接的焊接方式并不被推崇.   9.4.4卷边连接检验 卷边连接可用三种方法进行检验：　 　* 目测 　* 卷边高度测量 　* 卷边连接推力 卷边连接目测标准如图9.3所示，在这里重复如图9.24所示，标准既针对电线也针对整个卷边连接。 电线标准包括电线的剥皮长度和剥皮的导线在卷边套的位置。之些要求趋向于确保剥皮导线全部穿过卷边套（超过卷边套）没有绝缘体在卷边套里（电线和绝缘体在卷边套和绝缘柄之间可见）。低效插入导线和在卷边套里夹杂绝缘体都会影响加工变形／动力学，也因此影响卷边性能。 开口需要能增加纵向保留残余力以及增加相同摩擦力下的卷边连接推力。 卷边高度测量可视为卷边加工的参照物，其基本原理是假设卷边系统不变，从而确定卷边连接达到的变形量。卷边高度测量过程如图9.17所示。当测量值直线上升，应对细节加以注意，因为卷边高度公差可能是0.01 in（0.254mm）那么小，对于卷边高度的选择，提倡用伸出卷边套的长度作为加工参照。类似的不同方法可以将卷边高度用于这道工序。 卷边连接的推力是对完整连接的另一种测量。然而，推力是一个破坏性测验，仅用作次要加工参照。图9.14所示包含一些推力需要以供参考。   9.5卷边连接和材料考虑总结 可重复、可靠的卷边连接取决于卷边系统﹕ 　* 电线 　* 卷边终边 　* 卷边设备 卷边系统的重要性在于其能通过导线与卷边套间微冷接合部控制卷边过程中的变形以产生一个金属接触面，并产生一个适当的保持力以确保使用应力下冷接合部的完整性。 适当保持应力分配的产生取决于材料和设计，这是由于卷边套／导线系统的回弹取决于材料性能，如弹性系数和屈服极限，也取决于设计参数，如面积指数和卷边几何形状。   9.6断层连接（IDC） 第二种电线／线缆永久连接技术是断层连接（IDC），正如该名称所说的，与卷边连接相比，断层连接不用去掉导线的绝缘体，相反，当电线插入终端，绝缘体被端子梁切开。这一微小的区别满足低连接力的需要，使得IDC技术在连接器组装和在这领域的运用具有很大的优势。IDC技术主要用于线缆运用中，在这些运用中大量线缆终端预插入线缆连接器以提供高效经济的终端，比起卷边技术可降低接错，卷边电线需要分别放进设置好的连接装置，对接失误的可能性显然很大，避免电线操作、剥皮和插入座体使得IDC技术有经济价值，如9.25提供IDC线缆连接的范例。   9.7 IDC系统 IDC连接也可视为一个系统，该系统包含 　* 电线 　* 终端 　* 设备／连接器 类似于卷边连接，电线／终端连接通过控制变形去形成并维持完整的永久连接表面。插入设备和连接器也有一些设计特点以保护承受使用与握持应力的整个端子接触面。   9.7.1 IDC工艺 图9.266显示了IDC工艺的表面视图。在这个例子中，IDC狭缝具有两段不同宽度的狭缝组成。上段狭缝用于放置绝缘体而下段狭缝则产生电性端子接触面。电线插入IDC狭缝是带有完整的绝缘体的。当电线滑过上段狭缝，绝缘体被划破。因此，当导线在滑行到最后位置时，导线是贴着下段IDC狭缝的边缘滑入的。在此过程中，狭缝的滑道和导线间没有因滑动摩擦而损坏表面，在此将金属端子表面的设计与导线横截面变形--IDC工艺的两个阶段--分别进行讨论。 插入／绝缘断层过程。显然，绝缘体必须像导线移开以得到导线和终端间所设计的金属表面。绝缘体一移动，伴随着电线的插入，当电线沿着终端梁滑入过程中承受摩擦力和剪切力的合力，如图9.27所示. 摩擦力取决于电线与终端的特性。对于电线，重要影响因素包括绝缘体材料／厚度和导线横截面积。绝缘体材料重要特性包含硬度、摩擦系数，和其它能出现在导线与绝缘体间的热压焊。绝缘体的硬度影响绝缘体被割破的难易程度，而摩擦系数影响绝缘体滑入IDC，这些摩擦力可握紧绝缘体以开始切断工序。绝缘体断层的容易和可重复性随绝缘体材料和加工过程而变化。一种普遍的做法是用给定的绝缘体去选用IDC终端。如果使用其它种类的绝缘体，可用新绝缘体的样品去选用IDC终端。 从两个方面来说，绝缘体的厚度是重要的。第一，厚绝缘体由于它们的体积和相对柔度而更难以切断。第二，如果绝缘体没被切断，端子梁可能会发生超出设计经验的偏移以及可能在塑性变形点承受过大的应力。如果这种现象发生，导线上残余正应力可以被中和。对于导线，导线横截面之尺寸和稳定性很重要。导线的尺寸影响梁的变形特性，对于实心导线，导线横截面的尺寸和稳定性都是原有的，然而，对于绞线，导线横截面的稳定性必须被考虑。相关的本质如图9.28所示。导线束里每一根导线的相对运动将导致每股导线的重新排列，从而减小每一根导线的变形，这将影响接触面的形状。另外，导线束有效直径的减小导致梁位移的减小，这将减小最后的正应力和能影响连接的稳定性。电线横截面的稳定性取决于导线的股数和绞合方式，集中绞合和低绞合线数在IDC连接中具有最持久的尺寸性能。 相对于终端，有几个因素是重要的。入口坡道的角度、表面镀层和接触电线绝缘体的梁表面的硬度对摩擦力具有影响。摩擦力也取决于梁的作用力，而梁的作用力取决于梁的尺寸和原始勾槽。这两个因素在决定绝缘断层工艺的有效性中充当一个主要角色，但它们也因此导致更高的插入和设备作用力。在许多场合，在电线插入时，如果绝缘体很难割断，梁的最大应力可能出现。 在弃皮过程中插入工具的设计同样也是很重要的。其中两个因素尤其重要。第一是在插入过程中保持导线束的稳定性，第二是在线槽的终端部分确保被连接导线的最终位置。为了达到第一个目的，在插入过程中采用环绕式固定绝缘体的方法以有助于保持横截面的完整性。第二个目的实现是通过尺寸控制和在插入工具/连接器的组合体上的止动装置。 接线头的设计也是很重要的。比如在接线头斜面上的导引部，它可以具有可控的特性以V型槽设计夹住绝缘体，从而辅助弃皮过程。然而必须格外小心，以确保导线不受到损伤，否则会降低机械强度。 终线位置当导线到达它在接线头里的最终位置时，两个设计参数就变得很重要﹕在导线和接线头臂体两侧产生的接触面积，和用以保持接触面积完整性的残余正压力。图9.2用图例阐明了这些重要性。 接触面积A，影响着连接电阻的大小。根据弃皮连接接线头的设计(特别是，是否它有一个或两个接触槽)，可能会产生两个或是四个接触面积。如图9.29所指出的，接触面积取决于导线挤靠接线头臂体的变形程度，以及该臂体的厚度。 在导线上的合成残余力由臂体偏移以及接触臂体上的几何形状所决定。臂体偏移，反过来，是由导线在插入槽中时其自身的变形来决定的。 导线的预测与控制在弃皮连接技术中是主要的设计考虑之一。在弃皮连接技术中变形过程没有象卷曲式那样大，但是它们的基本作用原理是一样的。变形和擦滑动作产生了金属接触分界面。一旦建立起了接触面积，它的完整性就会由弃皮连接臂体变形所产生的残余正压力来保持。 为确保接触面积的完整性须施加足够的力，而过大的力会对导线变形有所影响，又一次，这两者之间的平衡必须得到保持。与可分离分界面的正压力相比，弃皮连接的正压力以千克而不是十克百克来衡量。由于这个原因，在论证中导线变形比在弃皮连接中施加足够的力更为重要。 图9.30引自于参考8，它图标出导线变形、臂体偏移及接触正压力之间的关系。导线的变形与接触臂体的变形分开来指示，其中在这个例子中导线被假定为是一股的。每一曲线中的实线相应代表臂体间隙或导线直径的公称值。点线代表围绕这些公称值的容许偏差。 导线变形，特别是捻搓成的导线在弃皮连接过程中是很复杂的。在图9.31里实心导线变形的曲率指示导线的塑性变形。图9.31显示了在一个弃皮连接槽中被连接的实心导线的横截面部分。在导线横截面上的变化，即导线的径向变形，是很清楚的。然而在横截面上看得不明显的是，除了径向变形导线在纵向上也已被挤压了。又一次，导线变形必须被控制，以防止导线强度被降低或是在多股搓合导线中的一股被过大的损伤。 对于一个给定的间隙，臂体的偏移，再加上臂体的几何形状就决定了正压力的大小。和可分离式分界面的方式一样，弃皮连接臂体的弹性率取决于臂体的几何形状，但如将要讨论到的，弃皮连接接触臂的几何形状总的说来比单个的悬臂梁要更复杂。臂体偏移的大小，进而接触正压力的大小是由内部间隙尺寸及公差和导线的尺寸及公差来控制的，接线头的设计正是为了配合该导线的尺寸及公差。弃皮连接臂体的弹性率要比可分离连接臂体高得多，这在很大程度上是与臂体的有效厚度有关。这导致了弃皮连接比可分离连接有更大的正压力，也就是几千克而不是几百克的力。这种较大的力导致较大的导线变形和较大的接触面的机械稳定性，正如永久式连接所要求的。   9.7.2 弃皮连接接头/连接器的设计 弃皮连接的过程可通过一些接头的设计来实现。低插入力被认为是弃皮连接技术的一个潜在优势，但这个“优势”有它不利的一面。低插入力意味着低拔出力。这需要为防止与槽口平行的导线低拔出力而提供一些保护。正如将要被讨论的，这些需要的满足着眼在接头或者绝缘体或者通过分开的绝缘壳。 接头的设计图9.32表现了在弃皮连接接头中的三种不同设计。单槽臂(图9.32)在带状线缆中有很大的应用。在多线连接中，单槽臂能很容易地穿透带状线缆导线间的绝缘部分。很多种双槽臂设计被采用，其中一个例子如图9.32b所示。许多种如图9.32c所示的槽盒设计同样提供双槽之功能。双槽口可以提供双多个电性接触，或者其中一个可以提供冒口。双电性接触因为两种原因对绞线的弃皮连接来说尤其有益。第一，同时在两点抓住电线可以固定电线束，减少对电线直线性的可能影响。第二，如图9.33所示，其中一个的槽口会与不同的导线股接触，增加接触面积，减小各股之间电导率的影响。 弃皮连接槽口的几何形状可以是单槽口，或者它在尺寸上有所改变，比如图9.32a所示的单槽臂。为了弃皮，槽口尺寸和接线头顶部的斜面角度都做到了最佳设计，其中较低槽的最佳设计用以确保合适的导线变形和残余力。 另一个槽口几何形状的选择是所谓的“零缝〞槽，从Key中改选的图9.34中可见其中的一个例子。零缝槽的几何形状可以连接小尺寸的电线，因为这里就没有线槽设计。臂韧性取决于与常规槽口设计类似方式的几何形状。 正如所提到的，单槽口臂体主要用于带状线缆中，因为臂体能够很轻易地在每个电线之间穿过。这些臂体同样优势，即它们具有没有成型要求的扁平冲压结构。单槽口臂体接头的韧性取决于臂体的几何形状，------特别是，组成槽口挡墙的臂体尺寸。这些臂体经常被近似成悬臂梁以便于模拟和接触力的诂计。在这种情况下，臂体弹性率可以由公式（9.1）来近似。 　　　F/D=(E/4)t(w/l)3　　　　　　　　　　　　　　　（9.1） 　　其中　　F/D==力/变形的关系或弹性率  　　　　E==制造接线头材料的弹性系数            t，w和l==厚度，宽度，和接触臂的长度，如图9.35所示           l的尺寸是一个变量，因为它取决于电线在槽内的位置。 公式（9.1）显示接线头的弹性率由臂体部分宽度和长度来决定。这些几何形状的变量控制着臂体的韧性。臂体的韧性，反过来，对电线的变形有很大的影响。韧性的臂体提升导线的变形度，而坚硬的臂体可能产生切割销磨而不是变形。这种影响的程度取决于电线的尺寸，这里较小的电线对损伤更具敏感性。 双复臂(图9.32b)应用在离散的电线中，或是单线可以从线束中分离出来的线缆中。在这两种情况里，需要处理其它的电线。双槽臂体的韧性和偏移特性比扁平压制单臂体更复杂。偏移在两槽口的连接处分布，因此出现了一些扭力现象的影响。 带槽盒(图9.32c)同样有复杂的臂体变形，因为偏移是沿着盒的挡墙和底部分布的。在双槽臂体上，在典型的情况下，挡墙的厚度要比双臂体的厚度小，并且挡墙和底部扭力的韧性同样产生更高韧性的结构。 冒口的考虑. 前面说过，弃皮连接技术的低插入力使电线的稳定性易受到干扰或者在平行于槽口的低作用力下被拔出。因此弃皮连接器应该防止电线的拔出。冒口和电线的保护能从几个方面给予提供。 弃皮连接接头自身通过双槽口和常规的绝缘支持部能够提供这种保护，如图9.36中的例子所示。在这种双槽设计(图9.36a)其中的一个槽要是一种“绝缘夹”槽而不能是导电槽。如图9.36b所示的，也有可能在接触部上给绝缘夹提供一种常规包覆。 除了在第一章讨论过的对连接器绝缘壳体通常的要求，弃皮连接器的绝缘壳体经常包括冒口特征以保证在弃皮连接槽中固定电线。这种特征的一些例子如图9.37所示。图9.37a显示了成型在绝缘本体上的冒口，这个冒口的几何形状与连接槽的几何形状近似。图9.37b显示了由两个叉脚组成的冒口，叉脚弯曲而使电线插入连接槽，然后弹性回复以在所要的位置上固定电线。另一种设计也同样是为在连接器内保持电线的合适位置。 如图9.38所示，一些特殊的盖体也可以被用来保护电线的机械稳定性。在一些情况里，盖体有接线工具与绝缘盖两重作用。这个盖体可以被由接线头上的扣勾来紧固(图9.38a)或是通过在连接器本体上的外在锁扣机构(图9.38b)。 总之，电线必需加以保护以防止在槽内的机械搅动和移动。这种保护可以由接线头(双槽口和绝缘支持部)，绝缘壳体(槽或是固持叉)，或是保护盖体来提供。合适的机构随连接器设计与应用的不同而不同，但有一些保护机构得到大众的肯定。参考10和11讨论了其它弃皮连接性能。   9.7.3 IDC的其它考虑因素 本节将从几个方面论述固体和绞线的IDC连接的区别及其原因。其次是接触镀层在IDC技术中的作用。 固体和绞线　图9.28清楚地示出了固体和绞线的IDC技术的区别。固体导体的变形由于其几何形状不变而比较简单且REPEATABLE，绞线的变形则更易于变化，且其变化取决于束的数目，绞合方式，及IDC端子的设计和插置工具。 绞线束的数量的影响是显而易见的。对于一个给定的导线尺寸，绞线束的数目越多，其直径就越小，较小的束易于被破损、切断，并且在端子成形过程中易于相对另一束而移动。这两个因素对于IDC性能的主要影响都是减小了残余正压力，而该正压力可以维持接触面的完整性。如图9.28所示，导体束的相对移动，减小了梁的倾斜。切断绞线具有相同的效果。依作者之见，这些因素对接触区域的影响不如对正压力大，因此也就不如对连接的机械完整性的影响大。 可以通过导线的结构及插置工具的设计减小产生于大量导体(MULTICONDUTOR)中的相对移动或CORD WOOD影响。导线结构的影响主要归因于绞合方式尤其是绞线束的层(LAY)。TIGHTER LAY IMPROVES DIMENSIONAL RIGIDITY。 如图9.33所示，DUAL-BEAM的设计通过提供更多的接触面接触更多导体也提高了绞线IDC连接的性能。 固体导体的要求相对于IDC端子则低得多。但是必须注意绞线的潜在问题(相对移动和极易破损)可以导致绞线和固体导体产生可接受的性能。 图9.39的数据辅证了这一点。这些数据表明绞线连接相对于线连接显示了稍高的意义且有背离，不过二者的性能都是可靠的。作为最大的单体应用，线缆IDC连接一般用于束状导体。 端子和导体的界面镀层. 在较大的作用力下，当导体滑入IDC槽中最终位置时，导体的变形和磨损导致膜破损，由经验知，在特殊导体镀层中，界面镀层可以提高IDC连接的耐久性(REPEATABILITY)和性能。 第十章　印刷电路板   印刷电路板(PWB)的历史能被追溯到1936年。今天这项发明一般认为是来自于Paul Eisner 博士，而他恐怕怎么也想不到PWB在60年后会占有200亿美元的市场。(请参阅图10.1和10.2) 将PWB与它们对现代连接器的影响分开来是不可能的，反过来也一样。一种技术与另一种术相互推动与限制达到如此的程度，以至于它们就象是一个硬币的两面。在这一章，我们就来看一下在电子插组件中的两个基本方面是怎样相互影响与推动的。   10.1　PWB制作技术 PWB工业是被不断增长的来自于插组件工程技术人员对要求所推动的持续发展之一(图10.3和图10.4)。为了满足这些需要，在过去的大约50年中发展了许多制作方法和基体材料。有些人找到了再生基材，比如摄影的感光胶片、环氧/玻璃基体材料，另一些人在PWB中用银做材料，结果以失败而告终。在这一章仅会讨论现代主要的制作技术。 在考虑PWB与连接器的关系如何，很重要的一点就是，对PWB的设计与制作如图10.5所示的做一个一般的理解。PWB的产生源于将分离的电子插组件连接在一起以形成电路的需要。这无论在过去还是现在都是PWB的唯一作用。在它发展历史的开始阶段，“板”的称谓是名副其实----一个扁平的，绝缘的平面，其硬度足以支持电路的组件，这些组件与实际的导线是连在一起的。很快，分离的导线被传导讯号的的铜接脚所代替。在实际中将铜接脚剪切下来再粘在板上的想法显然对于大量生产电路来说行不通，于是，照相制板工艺被采用了。 最简单的PWB当然是单层板(SSB)。这种类型的电路仍然为消费电子市场中的低级电路的需求而大量生产，也就是电视摇控之类的。它们的制作是通过在石碳酸树脂纸或环氧/玻璃基材上加铜薄片的迭片结构。铜薄片，如图10.6所示，用一些抗蚀刻物质按照一定形式去制作成电路铜线。 为了制作一个电路格局，抗蚀刻物质可由自动网板印刷机施加，如果这种抗蚀刻物质是可摄影成像的，则可以有滚涂机，隔板涂层器，或者甚至是感光胶片。这一工序一般指的是印制与蚀刻。这一类型的电路生产一般是用可网板印刷的抗蚀刻物质，在现在已几乎全部实现自动化。 很快显然易见的，如果板的两侧被利用了(一种双层板)，在板表面上设置的电路密度就变成子两倍。如果两个电路被安置在一块板上，那么就需要在二者之间建立一种连接。这种电性连接明显的安排是用组件孔来装配被导引的组件。但，这样就产生了一个严重的制作问题：如何使介电材料金属化，比如说最近才出现的为电镀铜脚而使用的环氧和玻璃纤维的合成物。   10.1.1　镀通孔技术 镀通孔技术(PTH)，根据现在所知道的，产生于1953年摩托罗拉公司。现代胶体锡铅催化剂与稳定的无电镀铜溶液的发展可上溯到六十年代。C. Shipley，现代生产铅/锡催化剂shipley公司的创始人，Brenner和Riddell以及其它人使无电镀铜系统变得稳定，这些成果的结合为现代PTH技术奠定了基础。现代双层板(DSB)生产工艺如图10.7所示。      10.1.2　 当无电解铜工艺问世以后，为通孔配合一个合适的电镀基板的问题就解决了。然而把PHT圆孔的电解镀层达到其预定的厚度仍需要如图10.8所示意的模板电镀操作。而这会导致整个模板（包括PHT圆孔与铜箔）被镀上多余厚度的电解铜。 显然，只有固体薄层成像方法才能被使用，基板的任何破损都会导致PHT孔的铜镀层被侵蚀或者镀层厚度变薄。任何形式的定位不正都是有的，以及环状圆形尺寸必须能够应付因材料的运动，工艺的变更，钻孔位置不正等造成的工具的错位。典型的环状尺寸要求约在20条左右。 由于tent需要基准点，为充分使固体层粘着而要求环状最小。随着孔尺寸的变小及电路密度的提高，此基准点的尺寸会成为高密度布线的限制因素。 为了保证充分的粘着，好线的应用要求通常进行良好的表面预处理。如果环状过小，偏移和侵蚀就不可避免。 板镀对于高密度的PWB有一个不利点。相比较单面的电路板箔而言，它外层铜的侵蚀变的非常困难。这是因为它在表层的厚度是基体铜和附加的电镀铜混合的结果，即要侵蚀双层铜的厚度才能形成PWB的信号线，如图10.10所示。 在线较宽或空间区域，这不是最重要的。然而在1990年，由于外层线和空间在5/5条标准及3/3条水平标准，侵蚀就成为板镀应用中一个重要的不利。 此外，由于整个板都镀了铜，因而电路线成型就失去了铜的重要性。这导致了成本问题，不但有电镀工作及化学应用，而且还有额外侵蚀的消耗及处理铜垃圾的成本。因而希望图案镀的出现。 在基板镀工艺中，每一个基板在一个宽的电镀架上。单个的板上无铜电镀且立即镀到最后的铜的厚度，无论是圆柱孔还是整个表面。这样的过程不会产生图案镀的情况。 在从基板镀到图案镀转变的过程中有一个基本的问题，是由于无电镀铜的沉积而使其更加坚固。普通的lo-dep成形在板的表面及孔内会沉积30条厚度的无电镀铜。这对后面的电镀步骤来说太薄了，不足以承受任何突然的撞击。 固体层光致抗蚀剂的优点使它成为照相制版工艺的主要方法，正如PCB工业所要求的，对图案镀工艺来说，无电镀铜可能成为粘着催化剂和一个重要步骤。而无镀铜预处理的要求被一个发展中的事实所驱动，固体层光云雾坑蚀剂能在铜的表面导致一个薄层的粘着催化剂。如果这层粘着催化剂不能移动，无电镀铜和电镀铜中铜与铜的粘着剂就会脱落。 为避免上述情况，开始的电镀过程如图10.11所示。在固体层光致抗蚀剂的应用中分成了两个独立的步骤。第一步骤提供了0.1条厚度的铜，制造坚固性较简单，第二步操作时对PTH镀上1条的厚度。我们知道这个lo-dep & flash操作自19世纪70年代成为标准以来一直延继至今。 在19世纪70年代后期出现了hi-dep & hi-build无电镀铜成型工艺。因此全部最初1亿个铜从化学电镀槽中被沉淀出，使得10.11所示的第一电解熔铜变得多余。依然有一些较浅的熔化方法的拥护者，因为对于第一较深的铜存在着挥之不去的怀疑，现在在世界范围内的大多数PWB生产者采用较深化学/电解电镀的模仿板的方法来建立PTH板。如图10.12所示的，这现在成为工业标准的方法。   10.1.3　减少与添加剂的工艺 在1964年由CC-4 TM Kollmorgen 公司如图10.12和图10.13“添加剂技术”所提出的挑战，这种挑战是针对对于在PTH和印刷蚀刻双层电路板变形可靠生产方法而进行。 和图10.12和图10.13的比较显示添加剂工艺在化学镀步骤中添加剂全部的铜，并且不须要蚀刻操作。 今天大多数PWB变形过程总得被看成由CC-4所工艺范围所代表或是直接的派生物。当这些工艺策略产生出很好的表面共面性，可焊性以及穿孔的一致性，它被使用在这个技术范围的低端(比如说自动推进)以及大多数在环太平洋国家。然而必须指出的是在市场中全部添加剂产品大约每个月一百万。为与美国的市场形成鲜明对比，在那里完全添加剂技术的可接受性变得江河日下。 自从它从30年前开始的那一刻起，一些普遍的担心周而复始地妨碍着对于西方PWB工业这种添加剂技术的发展与它的接受性。如果我们回顾历史，我们将会发现，当一项添加剂技术要过时的时候，它可能已经代表了一种PWB产品的可行方法，每一个工序也都受到来自主流PWB生产者一些相似的主要的批评。这些批评总结如下： 长久以来直到现在，即存在一种根深柢固的对于铜淀薄片的化学性质的怀疑。然而，通过作者最近的一系列的书籍和别人的一些著作，很清楚地显示出现代的完全结构的铜可与ED薄片的物理性质相媲美，甚至超过它。 直到最近对铜镀槽的实际过程控制存在一种有理由的担心。然而最近引进的一个新一代的以石英微量天平为基础的对于添加化学品的摄相控制器，解决了这一担心。 这种工艺方案需要底受催化作用的薄层。对于大多数多层PWB客户来说这是不可接受的。此外，这种底层金属几乎使潜在客户对于物资结构的控制荡然无存。尽管有很多出版的著作来支持这种材料，反对它的势力依然存在。 随着工业生产的普遍“绿色环保化”，以及在“第一世界”中对于废物部问题的日益关注，CC-4工艺以及它们的衍生物(由于它们对于铬酸，溶剂类保护膜系统，以及以溶剂为基础的粘着层的要求)以这种形势下，在新的处产设备中不太可能被重新建立起来。 除了这些关注，不得不被指出的是这种类型的工艺在传统上有“整个车间”的概念。简而言之，生产者从一开始就要么采用添加要么采用减少的设备。据笔者所知，没有一家是试着在同一设备中采用平行的线。 这种类型的工艺需要加入一种特别的粘着助催化剂。对于这种类型的电路板这种材料是独一无二的，而且不用象对传统铜覆层材料那种水平的附着。 没有一种添加的方案达到对于主流PWB生产者来讲是普遍接受的。我们在后面即将看到，在远东以外这种技术还没被接受，而现在由于九十年代后期的连接器和包装的要求而产生了一种复兴的兴趣。   10.2多层板 当集成电路出现时，在七十年代双面板的连接密度性能达到了它的极限。所需要的是更多的层，以及有不同功能的层比如电源和接地。解决这个问题的答案就是多层PWB。 多层PWB开始于四层结构，已经发展到象日立等公司做出的46层底板。由于增加的层数、孔密度和减少的线与空间的宽度，PWB的功能在过去30年得到了惊人的提升。图10.14引证出，在这一阶段多层PWB的发展，图10.15显示出这一技术在美国市场的分布。 多层结构在PWB工业界开创了一个新时代，产生了一种新的生产挑战。在很多PWB生产工艺领域，今天这项技术仍在发展。 多层PWB的生产如图10.16所示。这一工艺开始于两层被显相的铜芯，然后被蚀刻以形成传输信号或是电能/接地的片板。用介电层在各边以及一个铜薄片在外部，这种内层之后被碾压成四层的三明志夹层。六或八层的结构以非常相似的方法被制造。被碾压的包装现在是指外层。外层的制造，比如钻，电镀和印相，或多或少与前面所说的两层板的情况相同。 在多层结构工艺次序的细微差别，这里必须着重突出。   10.2.1　黑色氧化物和半固化物 一旦电路被蚀刻在内层芯上，铜片的表面必须有一定的粘性，以使与另一个介电层粘着。在内层间被碾压的介电物质通常是一片同样的基层材料如芯，但它部分固化。这种B阶段物质被称作半固化物的。为了将半固化物相结合，要在内层铜结构特性的表面上化学产生一个铜氧化粗糙面。在碾压过程中，部分硬化的介电树脂在压力与热量下流入这个粗糙面结构，再硬化成C阶段。这一界面的典型剥落力对于FR-4而言是六到八磅，而对于聚 亚胺和BT物质来说是四到五磅。   10.2.2　重合 当PWB的两外层影像形成时，在每一边蚀刻电路板方式必须彼此正确排列，这种从边到边的每个影像和钻孔方式分别排列的影像重合是很重要的。对于一个多层结构，形势就更复杂了，不仅外层影像必须正确排列，而且每个内层的正确连接及间隔都必须保证。例如，对于四层结构，四个铜层均能接触到PTH，是否一个特定铜层用一个特定孔连接取决于设计。在一些层中，对来自信号层的孔的连接很重要，其它来自电力层或接地层的孔要求清晰。为达到此目的，通孔的接触垫和电力／接地层的间隔必须正确排列。通常采用一些工艺孔或狭槽围绕每一层之外围来实现，这些孔的位置可先于电路之整体操作或电路柱蚀而确定。 柱蚀钻孔工艺是更进一步之精确排列方法，也是高层数平面的需要。该工艺包括有蚀刻铜箔以先形成内层电路和紧接着用自动光学排列设备基于每层两个蚀刻铜参照物布置钻孔机。柱蚀钻孔工艺的使用缘由如下：当铜箔架设于玻璃或别的非导电性基层时会产生固有应力，当绝大多数的铜箔在内层操作的电路板化工序中被腐蚀掉，材料变得松动并产生位移，这种材料移动从原始位置处带走了蚀刻铜材很像地球表面的持续运动。 显然，移动是可预测的，但其固有独立于实际每层铜轨迹，由于层数增加，如果没有这种技术，层与层间的累积误差将使得高层特征与特征重合很困难。 正如将要讨论的内层不重合能在组件组装时引起严重的问题（参考10.5.2）。 10.2.3　敷层与积层 随着合适的组合设备和催化剂如黑氧化物之应用，单个组件能被组入多层PWB。敷层由铜箔夹层、预浸料丕和蚀刻信号或电源／接地层和为实际积层工艺而作的手册。  积层工艺包括开始的压制组件间初始端子和其次的热加工预浸丕料及测量各个电路层堆集高度。然而对于积层主要的工业应用采用热水蒸汽压力，对大面积、高密度、多层数之多层PWB的阻抗控制设备也采用蒸压制板机。  蒸压制校技术之优点在于压施均衡，也就是说在各个方向上各个点上所受气体压力相等。显然，对于均衡压力，大尺寸平面的移动和绝缘厚度控制比起水压性能好。   10.2.4　机械钻孔公差  40%的PWB外层表面积用于PTH，一个加工完毕的PTH占用的空间包括实际钻孔直径、重合稳定性及工艺图的照相平板误差、钻头的跑偏、钻孔工艺图的读数及工艺图公差和孔壁与其它内连接间所需绝缘设置。很难控制每一个参数对整个大面积、高密度和大PTH系数的平面公差产生的影响。对于钻孔操作，变化来自钻孔单元位置精度，这由已定义的X-Y钻孔坐标位置精度和自身的钻孔单元。钻一个深孔需要长钻头，而知事短钻头不会像长钻头一样弯曲变形很大，这样当偏移的弧度很微小，一个小环形的环或间隙面积就会产生。如图10.19所示，较薄的板能具有更小的孔，因其具有更小的跑偏和更好的公差控制。   10.2.5　沉积　 不像双面板，多层结构在孔内具有铜材内连接。在PTH套和内层铜轨迹间作可靠的铜材对铜材连接点是多层结构的基础。在每个孔表面所做的每层连接都是必不可少的，只要在内连接中有一个失效或存在可靠性问题，都将引起板的废弃。内层污点是机械钻孔的结果，其出现在钻孔操作过程中钻头进入与退出时灼热钻头尖熔化了一些环氧基树脂并将这些树脂沉淀在内层铜材表面上，如图10.20所示，这种薄的退化非导电性材料必须从铜材去除以形成一个可行的内层基架。现在，这可在无导电铜材沉淀工艺前通过使用过锰酸盐的方法解决。对一多层PWB产品，一些通孔沉淀操作必须执行，内连接失效的原因通常可追溯到沉积物／非导电制图操作。   10.2.6 嵌入通路和封闭通路 由于相互连接的密度的增加，有必要介绍一下嵌入通路(有时称为可控通路)，其大致如图10.21所示。这个第二名称来源于这些通路一般是由自动CAD程序决定的。这些连接一般都非常小。它们的应用仅仅受钻孔机器提供这样一个微小孔径的能力和并肩对准问题的限制。然而，必须重视这种技术，目前，世界上还有不到3%的电路板使用这种技术。   10.3 SMT的BOARDS 在SMT中，组件是直接焊接于电路板表面的。这有别于PTH技术，在PTH技术中组件导引端贯穿PWB。为了承受插入过中的物理压力，它们的端子尺寸必须相对较大。这些常用的导引端的直径一般在0.032英寸(0.813mm)，由于实际应用的限制，一般在0.015英寸(0.381mm)。当采用组在一起的高密度输入输出组件时；PTHs要求这些装置占据电路板空间的40%到50%。 除了显著降低表面为穿孔和它们圆形的环状设计而设置的固定组件，SMT技术使得电路板的另一面没有端子凸出。这提高了电路板的另一面的利用率。双层SMT技术可以将电路板表面的使用率提高70%。SMT是那些小型化很重要的领域也就是军事和医学领域中最早的一种技术，目前，SMT已成为较新的、手提的便携式和PCMCIA式。 从图10.22可以看到，应用SMT时，通孔，或者说现在所谓的通路，可以小到方便地钻孔。借助于使用小孔径而节省下来的空间，SMT相对于孔中的端子可以使用更稠密的信号连接。 表面粘着技术提供了显著的小型化，尤其是电路板表面固定组件的利用率，且简化了装配，如图10.23所示。它为较细的线和在密度较大的电路板上钻更小的孔提供了机会，这对于热载荷和电子性能都产生了有益的影响。   10.4　到PWB的机械连接 大的，高密度的，多层PWB是非常昂贵的，它把重点放在制造工艺和对下一级到板的封装连接的应用要求上。由于涉及到成本及制造工艺，因此连接器的工艺过程在过去几年里受到了相当多的关注。 原先这一章的内容比较详细地描述了PWB的基本的制造工艺。任何习知的PCB的设计都是制造能力与设计者期望之间的折衷。就这一点，折衷案的影响通过它们对下一级连接器互连的关系的调查而得到验证。 下一级包装的典型的连接器是用接脚插入通孔。当然，由于离散的组件，相同的驱动力，在最近几年SMT对连接器应用的适应受到了更多的关注。此外，对板对板连接的连接器而言，通常考虑IC socket。这些重新利用在了PTH和SMT类型的连接器。典型的连接器终端工艺的例子容后述。   10.4.1　端子焊接连接器 这种方法采用一个紧固机械配合，即在端子组件与卡孔之间的紧配合。焊接提供一种机械和电气连接。波峰焊技术在电路板生产中占主导地位有很多年了，随着所要求层数与电路密度的增加，这种要求推动了焊接工业向至少一个混合SMT单元发展，焊接技术的局限 也明显起来。其中的几个问题是焊接的高温度以及必须将辅助焊接的化学助焊剂移走。   10.4.2 压入式连接 PWB对于这种连接的最重要的影响是： ．PTH之几何尺寸 ．端子的几何尺寸与类型 ．穿孔在热扩散作用下沿z轴的膨胀 ．铜的厚度与耐用度 ．焊接厚度与分布 ．板的厚度 ．板的材料类型 在压入式连接器中有两种主要的端子类型：刚性端子与柔性端子。 刚性端子要求较高的插入力以及为控制这些力和避免对电路板产生损坏所要求的较严之配合公差。刚性端子所形成之弹性张力全部存储于电路板上，导致PTH之失败。 柔性端子为少焊剂连接，其在十九世纪七十年代后期广泛应用于电及电子方面。因为它们是柔性的，在插入时引起极少PTH损坏，这特别适合于多层PWB结构。 现代端子工艺的一个例子如Fig10.24中所表示的AMP公司Action Pin端子。它可以解释如下：当柔性部分插入PTH时，两弹性部分被压缩，产生对于此气密性连接之反力。孔的直径比端子的斜向尺寸小的多。两个弹性部分可以根据孔的公差压缩到不同的程度。与刚性端子相比柔性端子可以减小板上的应力。 因为刚性端子不须焊接于电路板上，通常与焊接有关的问题也就没有了，这些问题包括： ．焊接点的不完善 ．PCB与其组件的热应力 ．PTH的消磁 ．焊接点－印刷电路板短路 ．接触区的残留气体 ．10.4.3表面结合连接 尽管为无焊连接，柔性端子一般插入熔化的焊剂与热空气焊接水平镀层孔。当几何公差限制其与刚性端子相比在有些方面小，比较差的PTH尺寸可引起显著问题。 当不连续的部分从孔的连接处到表面的连接处，创造一个表面连接是符合逻辑的。今天，许多连接器类型可用在传统端子型式或表面焊接型式。   10.4.4　集成电路插座 由于小型化的趋势，表面连接型连接器所占的市场份额会持续上升。PCMCIA连接器在这方面走在了前面。另外，表面连接之IC Sockets为满足end-customer要求以便于容易地进行PC机及便携式计算机之CPU升级，这就要求系统板上有高密度的连接处。 10.5　对印刷电路板(PWB)的机械连接 包装技术飞速进步对PWB和与PWB相配的接杆件都已产生深远的影响。电路板的厚度从经典的0.093英寸增加到0.125英寸(2.36mm)甚至到0.200英寸(5.1mm)。双层电路已被多层电路板所代替，并且底层金属也不再是完全的老式FR-4。屈服端子是为PR-4所设计的，尽管它们被大量使用在聚 亚胺和BTs中。 当端子插入孔中时，有三外与电路板的损坏有关，底座提升，痕迹变形，和纤维破裂。在装配时，实际的插入力是最主要的，因为这个力直接与插入时的磨擦力有关，因此，也就和电路板的损坏有关。因此，PTH的物体几何形状和机构的活力就相当重要。 同样，表面装配接杆必须经受两个表面装配技术反复热试验。在这个方面，底层金属的行为能力最值得关心。在这一部分将要直接影响与PWB连接的接杆件的因素。   10.5.1　电路板的材料和热处理 不管PWB的最终功能，一块完成的PWB一般要经过几个热处理步骤。熔焊操作意味着典型的最终装配的电路板上将至少有2个，至多5个热冲击。 总之，全部的印刷电路板必须有现代的，高质量的铜做基材，这样才能承受多次热冲击。然而，对于完成了流程的电路板，由于铜和不同层金属之间的热膨涨系数很大(由表10.1可以看出)，于是焊接操作产生拉伸压力。 由于玻璃布在XY平面的压迫影响，热膨胀系数的不相配更加恶化。这种压力在PTH桶的Z轴方向更加明显。整个板越厚，在PTH桶累积的热压力越大。因此，比如给定一个孔径，而板越厚，PTH桶越可能在热冲击中遭到失败。相似地，给定一个面板厚度，孔径越小，失败发生得越早。 厚的多层结构的出现和PTH纵横比的增加将导致诸如聚 亚胺和BT(Bis malimide trazone)等可替代的高性能的材料的找寻。但是当这些材料的电子性能更适合高频应用，许多军用和民用客户要求他们的多层板建立在这些底层材料上。这些材料每种的热膨胀系数都比FR-4小，并且结合它们的低介电常数，被认为是对于大型底板FR-4的要求。 许多屈服端子的接杆件都用FR-4，象聚 亚胺材料比FR-4更脆弱且易受到更大的在端子插入微小变形。由于高成本，它们在加工相对困难，以及军用市场上的下降，聚 亚胺市场在迅速缩小。   10.5.2　内层对准不良，钻孔和油渍 前面曾经提到过，内层连接的位置与质量在很大程度上取决于在多层结构上准确定位与钻孔。很明显对准不良的孔，钻头的滑动对于针状连接器的最终整个可靠性有不利的影响。这种对于连接器的影响总结如下； l                 在信号层的内层对准不良是一个固有的弱点。 l                 在内层铜表面大量的油渍会使内层对准不良发展成在内层铜表面的“移出”。 l                 如果在电源/接地层周围的间隙得不到保持，那么内层的对准不良会产生短路(见图10.16)。在组装时，对准较差的间隙会产生变形并短路。 l                 油渍使记号端子与PTH铜桶的粘着不好。 l                 众所周知，因为油渍是热性能差的环氧物质，化学镀层在油渍上的作用效果很差。 l                 在油渍上的淀铜层质量较差，在任何的热或机械影响下，例如端子插入或波峰焊，将导致其作用的失败。   10.5.3　PTH 的电镀和几何形状 对于任何一种穿孔端子连接器，不考虑它的系统功能，其对装配最大的一个影响是PTH孔的几何形状。任何PTH的质量和几何形状与三个因素密切相关：即钻孔的质量，电解铜镀的整齐性，以及表面镀层的类型。如图10.14所示，为了实现在PWB功能上的惊人提升，其中必要重大的技术上发展之一是能电镀有很高纵横比的穿孔。 如果假定钻孔的公差与质量给定，另一主要考虑的领域就是铜镀的整齐性。对于任何电镀工艺，在PHT孔上铜电镀层的厚度将最终取决于穿过钻孔的每一点所承受的电流密度。钻孔象一个电阻，电流密度随离中心的长度而下降。因此在孔口处的厚度要比中间的大。如图10.25所示，这种现象有不同的称谓，如狗骨，砂漏现象等等。对同一纵横比的孔(也就是孔长与孔直径之比)，电路板越厚，表面与孔中间的电镀厚度就越不一致。 对于PWB的生产厂商，电镀工艺的目的是为了达到最小电镀铜厚度的要求，即PTH的公差，对客户来说的整体的可靠性。这会成为在电镀的化学性及可靠性规范间选择的一个平衡动作。在电镀在线，PWB生产厂商会用端子标准尺来测量镀孔尺寸的大小，因此将在最大曲率处测量最大的镀铜厚度。更为重要的最小镀铜厚度将在孔的中部用横截面显微照相来测量。 对于很高的纵横比(>10:1)，电镀要采用高电镀槽，(也就是高的酸与金属比)和缓慢的电镀率(低的整体电流)以使PTH及其表面的电镀变化最小。然而这种高纵横率电镀的经济性并不那么具有吸引力，因为通常需要进行缓慢的电镀率以及特殊的化学添加剂。基本的方式是将一块板在50安培的电流中电镀17个小时，以产生可接受的PTH的整体性。 任何形式的“狗骨”现象将导致PTH的铜几何形状的不整齐。这种电镀形状显然对一个适当的插入端子过程有不利的影响。并且较差的电镀分布不仅由于较高的插入力而对最终的穿孔的结构有害，而且在收容于孔后，对端子的固持以及残余合应力都不利。 除了以上所讲之外，如果组件孔达到了整体尺寸公差，却在中部存在较薄电镀层，则它将对PTH的长期稳定性有害。不但较薄的电镀层是一个弱点，而且现在一般所接受的观点是在PTH桶的铜层厚度的整齐性越好，则其热循环的可靠性越高。这样，面对孔的电镀率越接近1:1，则PTH的整体质量越好。 在前面的部分，回顾了面板电镀，印刷电镀以及电镀PTH桶的“添加剂”的方法。按照1:1的面对孔电镀率是合乎要求的条件，这些工艺的可分别依此目的来检验。 在面板电镀中，在面板上没有遮掩的区域，而对于印刷电镀操作，必须要将线路和孔的部位分隔开。当然准确的数目取决于各个线路的布局情况。在印刷电镀槽中电流密度集中在面板分隔的区域，在镀层的厚度上有很大的差别。为了平衡印刷电镀，面板的“自盗”特性，其典型的方法是采用档板方格，被印在表面上作为“电流盗贼”。 相比较而言，在面板电镀操作中，没有分隔的区域，因此电镀的分布将更加整齐。对于高纵横率的电镀，尤其是对分隔连接器的设计，面板电镀的操作是首选。但对于高密度的线路，这种选择必须在和细线的蚀刻问题相平衡，这个问题在前面已讨论过了。   10.6　添加剂技术的更新 前面已经提过，采用完全的添加剂技术有很显著的优势。对于那些相同的目的，经过了三十年PWB工业应该在充分发展的化学电镀技术领域不再有什么兴趣了。然而如前面所提过的，这些目的已向所要得到的产品发展，而不是制造面板的制作。对这些目的实施带来如下的好处： l                 对于SMT的客户，没有别的技术能象化学镀铜系统这样能达到共面性。 l                 对于屈服端子连接器，没有别的工艺能保证要求在厚底板上的25μm(0.001in公差的一致孔洞的尺寸。 l                 与半添加剂方法不同，完全的添加剂方法产生一个受控制的细形状，并将SMT垫的尺寸限制在实际印相的尺寸。与传统的蚀刻的技术不同，信号线几何形状的限制提供给PWB制造者在电路板镀层的阻抗上以不同的控制。 在半添加剂方法中，对于很小距离的SMT有一个潜在的限制因素。在电镀时，SMT的垫底与信号线路的铜层尺寸不仅在高度上有增加，而且在X轴上也有增加。与完全添加剂方法相比，这种沿垫底侧的增加不会令人满意地固定在由薄片构成的物质上。如此，这种特性越好，没有边界区域的比例也越大，也就越容易失败。 也许最令人感兴趣的优势就是所说的一体结构铜自身的可焊性。不断有人申明，化学镀铜的可焊性好于典型电镀的。这可能因为这几个原因，比如对一体结构铜较好的显微照相的表面，以及添加剂铜有较少的有机污物，因为在镀的过程中它有较少的步骤。 令人感兴趣的是，由添加剂方法制造的PWB对其物理分布还没有过异议。 l                 没有一个客户曾经明确地要一个不是平面的电路板。 l                 没有一个客户埋怨过一致的穿孔镀铜厚度或是能符合极度严格穿孔公差的能力。 l                 没有一个客户对阻抗的严格控制，在SMT垫底间或电镀板物理限制间用以焊接遮掩的挡埧提出过异议。 只有对这种方法或其本身固有的要求有过异议，而对实际产品的物理分布却从来没有。 在过去30年里，添加剂和半添加剂的方法已经在“西方”PWB工业背景下衰退。今天在世界上产生了化学镀铜技术的复兴。   10.7 PTH的表面镀层和几何形状 在上一章我们讨论过，不平的铜镀层会产生严重的穿孔公差和/或端子插入的可靠性问题。表10.2显示了对于屈服端子连接器在公差要求。 然而，有镀层的孔通常是形成一个被覆来保护铜不受氧化，以及提升它可焊性的寿命。传统上，易熔化的锡铅合金被覆是一种镀层选择。这种焊接镀层的应用方法可以是电镀铅锡防蚀刻剂熔化以形成易熔的合金，而不是通过焊接遮掩，也可以在对裸铜加上焊接遮掩物(SMOBC)后通过烘箱焊接(HASL)操作。 HASL工艺对于严格的公差没有传导性，比如象需要±0.002 in (±0.051 mm)镀孔尺寸的连接器(见表10.2)。对于有很多孔尺寸的产品(许多混合孔穿孔，SMT组件，以及SMT连接器在单板上的混合)，很难达到即满足PTH又满足SMT特性的焊接要求。在最大最小电镀厚度对装配而言是一个必要条件时，很难去满足带有HASL工艺的焊接高度要求。加上一个严格的镀孔规范，使得HASL几乎不可能去实现。为了解决这些问题，在最近几年用化学铅锡被覆的方法被采用。相比较而言，熔化的铅锡具有更大的控制，但其不能应用在SMOB中。 对于易熔的焊料有一些替代品，它们日益受到更多的重视。较新的被覆主要是一些化学镍金被覆或以benzotriazole或咪唑为基础的有机焊料保护(OSP)。 镍金合金或是OSP镀层具有类如很薄、等角度以及对PTH桶几乎没有增加厚度等优势。与HASL或熔化的铅锡合金不同，这些镀层在应用中不需要加热。因此它的另一个巨大优势在于在使用这些镀层时装配卡所产生的一些热的移动被减少了。 10.8 总结 PWB和连接器将相互影响地发展。可成像技术的出现（例如IBM的表面薄片电路，球栅排列技术，PCMCIA形式，快速发展的多块模块技术）将会保证每一技术未来的发展以及它们所带来的市场的繁荣。 第十一章　至印刷电路板的永久性连接   这一章里，我们将对至电路板(PWBs)的机械式和焊接式两种永久性连接方式进行讨论。PWB的设计与制造过程在第十章中已经讨论过了，这就为以后讨论各种永久性连接技术提供了上文，近年来，微处理器之处理功能及记忆IC技术之记忆功能的飞速提高，已经在深刻影响着PWB技术的发展.而这些功能的飞速提高就对PWB制造施加了压力，以求达到电路板功能的整体提高，特别是可以通过改善多层线网，并结合孔的密度的提高和行宽及其间距的缩小来获得。这些容量的提高现在是通过扩大线板的大小来实现的。实现这些改善必要的一个主要技术改进是以高面率进行通孔焊的能力(板厚/孔径)。大型、高密及多层线网的PWB是非常昂贵的，因为它强调的是制造工艺和连接至线路板过程的可靠性要求。出于对上述成本及制造的考虑，近几年来PWB的连接技术已经受到了相当的重视。 焊接技术，特别是使用波峰焊的通孔焊技术(THT)，多年来已经一直在电路板的制造中占主导地位。在THT中，一元引线插入一电路板的通焊孔中，再进行波峰焊。然而，随着高密多层线网PWB技术的改进，人们已经认识到THT焊接的局限性，其表现为： 1. 焊接温度引起的对线板的损害； 2. 残留于线板上的助焊剂引起的腐蚀； 3. 因组件数量的增加及行密度的提高而使焊接空间缩小。 随着线板尺寸及其厚度的加大，由于焊接时会产生温度梯度现象，故其焊接温度的上升会导致电路板的潜在危险有所增加。对远程通讯设备所用之电连接器，人们就助焊剂之潜在腐蚀已作了深入的研究，并将该助焊剂的腐蚀性定为一主要的损害机理。这些发现清楚地表明了，消除用于促进焊接的化学助焊剂的优点。正是出于这样的考虑，人们将弹性压入式插头设计成，一种能提供PWB板上之PTH通孔的机械式无焊连接方式。更近些时候，随着孔径的缩小以及电线间的行间距不断缩小的趋势，焊接技术又一次使昂贵而有限大的电路板的真实价值得以体现。表面粘接技术(SMT)，提供一种垫附在电路板上的焊接连接方式，已经受到越来越多的注意。由于在理想状态下可以消除通孔结构，SMT就在电路板的密度及工艺方面有着显著的优点，这就使电路板的既有价值得以体现并可降低其生产成本。   11.1 至印刷电路板的机械式永久连接 下面将就两种机械式永久性连接方式进行讨论：压入式和包覆式连接，如图11.1所示。压入式连接是直接插入到电路板的PTH中(图11.1a)。压入式连接可能有两个或三个接触带，这取决于其事先的设置，如图11.2所示。图11.2a所示为有两个接触带的连接：其中一接触带连接至PWB板上的PTH孔，还有一导柱活动连接至子板或线缆上之插座．图11.2b所示为一有三个接触带的的连接，此情形下端子压入带两端都有一延伸导柱。一般来说，端子的一端用于活动连接，而另一端既可用于固定连接亦可用于活动连接。最常用的固定连接是包覆式连接，或者，某些情况下，复合包覆式连接也可用于导柱上，但这取决于导柱的长度。然而，连接端子的活动端并不局限于是导柱，正如图11.2 c和11.2 d所示的，也可以单独是板缘和盒体插座。 压入式连接端子的活动端的设计及对材料的要求当然和第6章所讨论的是一致的。但是，压入式和包覆式连接的设计主题和参数是不相同的，我们将单独地讨论。   11.2　压入式连接 压入式连接可以定义为这样一种连接，在此种连接中金属对金属的接触区域可以通过将一端子的压入带插入一PTH中，这样压入带的直径应比PTH的直径要大。接触区是通过压入带与PTH的内表面互相挤压变形而成的。当然，压入带和PTH有关的变形是取决于设计和单个接触元的尺寸。 压入式连接有两种类型：刚性和柔性连接。正如名称所提示的，刚性压入带基本上是刚性的，当被插进PTH内时仅会产生最小量的变形。也正如将被讨论的那样，这些特点限制了其在许多方面的应用。另一方面柔性压入带即设计于当插入至PTH内时会产生可控制的变形量。有几种柔性压入带的设计分别使用了好几种方式提供柔性接触变形。   11.2.1 刚性压入式端子      如图11.3所示为一刚性连接。这种连接包括一刚性端子插入至一个刚性几乎一样的电路板中。在这种情况下，端子的变形可以忽略，电路板的塑性变形也是很小的。这种连接将产生残余有弹性变形力以保持该机械连接的完整性。在插入过程中，PTH内表面的镀层会产生很大的变形，这是影响电路板性能的一个主要因素。 如图11.4所示，为直径大约是1mm(0.040 inch) 、与刚性端子配合之的PTH成孔尺寸的插入力和保持力示意图。注意，插入力随PTH的尺寸会有很大的变化。正如下文将讨论的，压入式连接最重要的孔的尺寸就是钻孔的尺寸。为了将最大插入力降至最小以方便装配，并维持最小保持力 (以为连接提供机械稳定性)，要求PTH尺寸是过盈配合公差。且尽管是高插入力，与残余弹性变形力有关的保持力，仍受限于前述之原因。当然，在装配过程中，当导柱插入连接时或者连接装置进行连接时；且其易受到机械挤压或震动时，保持力与压入式连接的稳定性、及与之相对的机械干扰都是有关系的；在某些情况下，刚性压入端子在残余应力方面的局限，正逐渐通过焊接的方式来得以避免。当然在这样的情况下，如前所述的机械式连接的优点就丧失了。弹性端子几何学正被进一步应用以消除这些刚性端子压入式连接的缺陷。   11.2.2 柔性压入式端子 图11.4也包括ACTION PIN之柔性端子的插拔力及保持力的数据以说明柔性变形的影响。在这些数据中与刚性插头相比照有三个显著的差别：插入力下降的同时，对应于该插入力的保持力也在提高，这样可带来意外的优点：即PTH的公差可以得以放宽些。这些差别使得柔性压入式端子的性能有很大的提高。减小插入力对于PTH破坏的控制要求和治具压力的要求是相当重要的；而保持力增加则意味着更高的残余应力，以增强分界面的机械完整性及连接器电阻的稳定性。对于给定范围之插入力，若PTH放宽其公差，可以降低电路板的制造成本，特别是可以降低多层线网电路板的成本。 除了这些成本及制造上的优点外，柔性接触还对其性能及可靠性有影响，它可减少在插入过程中对PTH孔的损害。正如第二章所讨论的，在端子互配时产生的插入力和磨损过程，取决于表面间的接触及其摩擦力，同样的基本原理也与压入式连接有关。在此情况下，压入带的柔性变形类似于接触面的面跳动率，其与压入带的插入几何角度结合起来会对插入力及可能发生在端子插入部分的磨损或对PTH的损害有很大的影响.对这些变形控制的重要性可以从两个方面来看：积极面，变形可促进金属接触区域的改善，以保证必要的一个稳定且较低的接触电阻；但是过量的变形会损害PTH孔，且更重要的是会损害PTH与多层线网电路板内部组件之间的连接。对这种损害的概要说明如图11.5所示，其在PWB装配领域及对其可靠性的考虑当中都是一个重点。内部组件的略微弯曲是允许的，但内部组件与PTH分界面上的裂纹或断折是不允许的。另外，当端子完全插入PTH孔时，如端子保持力所示之柔性变形元提供的残余应力，可保持接触表面的机械完整性。 现已开发出几种形状的柔性带来控制柔性压入带和PTH插入部分的变形，使得既降低其插入力又提高固定连接的机械完整性。图11.6概要描述了所选之压入带的几何形状方案，每一方案都从不同的角度提供柔性接触。 有缝眼的端子或者说针眼式柔性部分(如图11.6a)包括一对双重支撑横条，该横条在柔性带插入PTH时会斜向让开。C压入式压入带(如图11.6b)使用的是弯曲的(弧形)支撑横条，其在端子插入PTH孔时也会斜向让开。ACTION PIN 弹性端子的压入带包括一有缝眼的横条，它在柔性插入部分插入时会被压缩。在回顾压入式连接接触区域的产生以及保持机理以后，每一几何设计方案都会更详细地加以讨论。 如第七章所述，所有的固定式连接都必须产生并保持一个金属接触区以确保一低值且稳定的连接阻抗，关于柔性端子如何实现这些要求将会顺序作一简要讨论。在所有情况下，接触区都是由于在端子插入过程中其柔性带与PTH孔壁的变形而产生，这些变形是如何产生的，以及产生多少接触带取决于弹性部分的几何形状.接触带取决于PTH孔轴心的纵向和横向两方向的变形特征，横向接触带取决于柔性接触带的外缘是如何与PTH的孔壁接触的，也取决于弹性接触带横向交叉带的宏几何形状；纵向接触带取决于横臂在端子插入电路板过程中斜向变形时是如何与PTH孔壁保持接触的。 插入力是由柔性部分插入电路板时，其几何形状及弹性部分横条之斜向变形特点决定的。因此，该连接的机械完整性和连接电阻的稳定性，是由柔性部分抵在孔壁上产生斜向变形时的弹性恢复产生的残余应力来维持的。此残余应力与保持力有关，但在因摩擦力和几何形状影响下的直接方式中却并不是必要的。下面就这些要点来考虑每一种柔性端子。 缝眼式柔性端子：一个缝眼式柔性压入带(图11.6a)包括有一对双重支撑的横臂。原则上，当柔性部分压入PTH时这些横臂的斜向变形是一样且一致的；但实际上，其斜向变形将取决于其与PTH孔及PTH孔的几何形状公差相关的端子结构；当然，该理由也适用于其它形状的压入带的情况。图11.7显示的是插在PTH中的一缝眼式压入带纵向(右)和横向(左)交叉部分的情况。正如所提及的那样，产生的整个接触区取决于其与PTH孔纵向和横向的接触.纵向接触取决于其横臂是如何斜抵住PTH孔壁的，而横向接触取决于其横臂的外表轮廓。图11.7a显示的是一穿过电路板、且跨距很大的纵向接触带；图11.7b所示为决定横向接触带之诸因素中，压入带部分半径范围的重要性。 维持接触区完整性的残余应力，决定于双重横臂的柔性变形率以及该横臂的斜向变形；反过来，该横臂的柔性变形率及其斜向变形，又取决于柔性部分的原始直径及柔性部分和PTH孔的公差。 “C”Press式弹性端子.“C”Press式端子之压入带包括一C形柔性部分，该弹性部分插入到孔里时会向内弯曲变形.图11.8显示的是插于PTH孔内的“C”Press 式柔性部分的纵向(右)和横向(左) 交叉部分。C形体的变形决定于制成C形体的弯曲横臂的长度及厚度有关尺寸。尽管C形体和PTH孔在交叉部分都是圆形的，一般情况C形体的曲率和公差与孔是不一样的，故C形体和孔的横向接触就不是连续而是集中的。而纵向接触是由横臂偏斜之特点，以及横臂在插入过程中，是否因摩擦力而发生任何旋转决定的。 ACTION PIN式柔性端子.　ACTION PIN式柔性端子的变形比前述例子要复杂得多，因为摩擦力对其横臂变形有影响，如图11.9所示。纵向交叉部分(左)显示了ACTION PIN式柔性端子插入电路板的接触长度；横向交叉部分(右)显示了插入后弹性带部分的重迭情况、及其外表面与孔的接触情况，虚线所示为横臂大致的原始形态，横向接触带取决于柔性部分表面的半径范围。 其它几何形状的柔性带.　当然，除了在前几节中讨论的柔性带之外，还有其它类型的柔性带。在所有情况下，柔性所要实现的意图是最重要的设计特点。柔性恢复力，或者说是反弹，是保持接触表面完整性所要求的。 11.2.3　柔性带设计特点及其插入力 缝眼式柔性带的几何形状是影响压入式插入力的重要因素。在活动分界面配插力中重要的因素，在压入式插入过程中一样重要，其在进一步考虑到正常的力是以很大的单位公斤力来衡量而不是几十或几百克力。然而，入口处的几何角度仍是很重要的尺寸将影响着摩擦力，并且，通过摩擦力，在插入过程中还有对PTH孔造成损害的可能。 如图11.10所示，为一缝眼式柔性部分纵向视图。一般来说，插入角度因缝眼部分在成形时有弯曲而有各种变化。柔性带的外表面轮廓，也对插入力和对PTH有损害的可能有很大影响。因此，外表面的半径决定了与PTH孔的接触面积及接触力在孔壁的分布。一小曲率半径，在大外力作用下，可能会划削孔壁，而不是产生对焊接的完整性、或接触区域、或其残余应力有负面影响的变形。影响连接电阻的整个接触区域，是沿每一横条的纵向接触长度、及抵住孔壁的放射状接触带的产物。 同样对ACTION PIN式和“C ”PRESS式端子的柔性部分也可以同样地来说明。然而，在这两种情况下，变形过程会更复杂。对缝眼式柔性部分的一般性讨论，是有助于找出有关要点的：柔性部分的设计与公差，特别是插入角度及决定PTH孔壁上横向接触区的特征点，这些要点对插入力及对PTH孔可能的损害会有很大影响。仔细观察其制造过程，对于在该领域的装配和使用都是至关紧要的。必须注意的是， PTH的尺寸和公差，在控制其扭曲变形和潜在损害时，也是至关紧要的。   11.2.4　柔性带特点及其保持力 有关保持力两个优点的讨论：第一个是关于影响保持力大小的因素，第二个是关于保持力在多大程度上，对为确保在装配过程中达到要求的机械稳定性是必要的。 影响保持力的因素。正如上面所提到的，保持力是由随其柔性部分插入PTH时的变形、而残余的弹性恢复力决定的。反过来，该残余弹性恢复力也取决于柔性带的几何形状，因其决定了有效弹跳率、及可能发生的弹性和塑性变形的有关数量、与斜向变形之数量。柔性带与PTH孔壁间的摩擦系数与这些残余应力相结合，将决定压入式连接的保持力大小。一般来说，其对保持力的几何影响，会比插入力的潜在影响更小得多。 需要多大的保持力？保持力的重要性是基于以下事实产生的：虽然在某些情况下的某种复杂的型式里，就正常的接触力矾而言，它包括了与机械力相持之接触内表面的完整性，该机械力会干扰或使接触内表面开裂，从而影响该连接的电阻。以此角度，需要多大的保持力在多大程度上对于柔性端子连接可接受的性能是必要的，这个问题包括两个方面的内容。从接触的完整性的角度来看，设计讨论所期望的正常力是落在公斤力的范围内，这远远比前述那些自由表面上的力要大得多。 然而，正如第一章所提及的，固定连接的手动压力比活动连接的要高。有几点特别要注意的是，柔性端子连接适用于高端子数连接器控制其正确位置的直接操作。连接端子插配力、及包覆式连接过程中的压入力可能是非常重要的。以一实际的眼光来看，保持力的要求决定于端子在装配过程中所预设的是何种压力。考虑一下图11.11及图11.11a所示内容，导柱并不都适合于从电路板底面施加的任何形式的压力。保持力对此组装的要求，会比对那些要求以更高压入力插入至插座连接器的延伸导柱的要求更低。包覆式连接的延伸导柱，或者甚至是复合包覆式连接，都必须支持以更高的压入力。当然，保持力随端子尺寸而变化，且由连接制造工艺来设定的。   11.2.5 PWB板的构造和柔性端子 PWB板的构造(特别是设有通孔焊的PWB板)也会影响柔性端子的性能。有争议的是柔性端子性能中最重要的电路板的参数是否是钻孔的尺寸。图11.12所示描述的是PTH孔及与柔性端子性能有关尺寸的情况。钻孔尺寸的重要性是至关紧要的，因其决定柔性部分会发生变形的外围部分。正是PWB板柔性部分之斜向变形平面的相对硬度，提供斜向变形之横臂以电阻。不幸的是，只有成孔的尺寸才可以方便地进行测量。介绍弹性端子的制造工艺、及其相关之钻孔尺寸，并辅之以电路板的制造工艺是非常重要的。 铜及锡铅镀层 (最常用的PTH焊接系统) 的厚度也必须是可控的，尽管其对于正常力的影响是次要的。然而，其通过相关摩擦力对于插入力的影响却是重要的。PTH 钻孔和为所选ACTION PIN式柔性端子的镀层厚度在图11.12中已有插入指示。连接器制造工艺所标示之尺寸和公差必须加以实施以确保压入式连接的性能及其完整性。   11.2.6　前景 柔性端子设计正被修改以适应PWB板更大范围孔的尺寸和大多数更小孔的尺寸，此项技术尚在开发之中。孔径范围从0.55到1.6mm现正在使用之中；PTH通孔焊技术正进一步发展；裸铜或金/镍/铜PTH通孔焊的应用正在逐渐推广之中。   11.3