連接器是什麼?

 

一, 連接器的定義
連接器是一種用於連接一個電路的導體與另一個電路的導體或一個傳輸元件與另一個傳輸元件的裝置;在兩個電路子系統中連接器提供了一個可分離的界面,這個界面對系統性能不能產生不可接受的影響。
二, 連接器的作用, 特點和性能要求
可分離性是使用連接器的原因,可分離性使系統不做什麼改動卻可以維護,保養或更新零部件或子系統,這對電氣和電子工業製造產生極大和深遠的影響,工業化發展的重要趨勢之一是標準化和模塊化,因為標準化和模塊化大大簡化產品設計,生產,安裝和使用,極大降低生產成本。連接器的出現使電氣電子產業,甚至別的工業在標準化和模塊化方面產生質的飛躍,故連接器產業自問世以來發展速度很快,幾乎被用到工業的方方面面,可以這樣說,在光電能量傳輸過程中幾乎無法離開連接器,連接器的發展前景很好,被認為是朝陽產業。但是可分離性也在子系統間增添了一個界面,這個界面對系統不能引入不可接受的性能影響,如信號的失真,系統的異常。可分離性的要求和“不可接受的性能影響”的界限取決于連接器的應用。可分離性要求包括連接器能提供的插拔壽命和所需的插拔力。連接器的插拔壽命要求差異很大,從常見的“盒內”連接器几十次配合要求(如,IC socket 連接器),I/O接口的几千次插拔要求(如,USB連接器)到上百萬次的連接壽命(如IC的測試探針);連接器所需的插拔力要求也是各式各樣,在對電子產品功能要求越來越高的發展趨勢下甚至變得非常突出:電子產品功能的增加必然要求電路的增加,電路的增加也就要求連接器端子數目的增加,但是每對端子(公母端子)的插拔力是不能無限減小---觸點物理學及連接器鍍層設計理論指出,即使是鍍金層正向力一般不應小於20g(這種情況下載流能力有限)。典型的連接器端子數目從几到千(如 CPU 連接器)。連接器設計的主要工作之一是,如何平衡諸多因素以達到連接器的功能要求。.如何確定“不可接受的性能”是連接器設計的核心內容,這主要決定于連接器應用環境。連接器被廣氾應用於形形色色的場合,故連接器的性能要求各式各樣。為了說明問題我們不妨用連接器最常見的性能之一,接觸電阻為例。接觸電阻表征被連接的對象的導通狀況或導通程度,但在具體的連接器的應用場合,要求是不一樣的:IEC標準對信號連接器的接觸電阻的要求是,不大於50mOhm.(這是為什麼我們常見的信號連接器的接觸電阻要求不大於50mOhm),但對於電源連接器或重載連接器來說,不大於50mOhm是無法滿足載流的要求的,甚至不大於5 mOhm都會出現界面局部過熱而導致連接器失效。其實接觸電阻與載流能力存在一定的量化關係,而接觸電阻與電鍍規格以及正向力又存在一定量化關係。再舉個(特征)阻抗的例子,阻抗在頻率較低的場合,幾乎不做要求,但是在頻率很高時,對阻抗的重視高于電阻。這類似于在宏觀的世界(物體的速度遠遠小於光速)用經典的牛頓力學便能解決力學問題,而在微觀的世界(粒子速度相對於光速不能忽略不計)只有愛因斯坦相對論才能準確計算出粒子的力學特點。因為在高頻時,若阻抗不匹配,會出現信號反射,嚴重時以致信號失真而失效。
三, 連接器的結構
連接器的用途甚廣,結構差異很大,下面介紹較典型的電子連接器的結構,典型的電子連接器往往由4部分組成:1,界面;2,電鍍層;3,端子/彈片;4,塑料外殼/housing。
A, 界面被認為是連接器最重要的組分,正是界面決定了接觸電阻和連接器的壽命以及失效模式,對界面結構的意識是理解連接器如何起作用和設計連接器的根本。界面分為分離界面和永久連接界面。
可分離界面是連接器對配時形成,界面的結構主要取決于端子(彈片)的幾何形狀,端子與端子之間的(正向)力以及電鍍層。
永久連接界面是連接器連接(往往是一次性連接)到子系統時形成的。連接器的連接媒介往往是電線電纜和電路板。永久連接有兩大類方式,機械式和焊接式。機械式包括Crimp方式,Clamp方式,IDC,過盈配合(press-in)---過盈配合又分成硬過盈和軟過盈,刺破方式(piercing)和繞線(wrapped)等。每種連接方式有它的連接特點和優缺點,應根據應用場合,可靠性要求,連接效率要求,連接空間,連接技術要求,連接工具等加以選用。但有的連接方式只能用於電線電纜,有的則用於電路板,而有的用於兩者。如IDC,Crimp, Clamp, Piercing用於電線;過盈配合用於電路板;焊接可用於電線電纜也能用於電路板。
B, 電鍍層主要有兩大作用:保護端子不受腐蝕及優化界面。
優化界面涉及觸點物理學內容和電鍍理論,是連接器設計的核心之一。連接器可靠的連接源自于界面的金屬與金屬的接觸(金屬與金屬的接觸面之間不存在不導電的物質成分)。電鍍使界面間的金屬直接接觸成為可能,但每種鍍層的特點和性能不一樣,基本上分成兩大類:貴重金屬和非貴重金屬。貴重金屬鍍層有金(合金),鈀(合金)銠(合金)...,非貴重金屬鍍層有銀(合金),鎳(合金),錫(合金),銅(合金)。貴重金屬本身不會氧化(至少在一定純度和溫度範圍內不會氧化)故貴重金屬鍍層連接器的設計目標之一是防止不導電的物質成分在界面出現而非貴重金屬鍍層連接器的設計目標之一是防止鍍層本身氧化。不同的鍍層意味着不同的失效方式,不同的鍍層要求不同的設計方案或參數(如正向力),也產生不同的性能。界面的性質不同(如分離界面和永久連接界面)也要求不同的鍍層。鍍層的選擇影響甚至決定接觸電阻的穩定性,正向力的大小,連接器外殼的設計,插拔壽命,配合力…。連接器根據其應用和設計的需要, 鍍層也有厚度,硬度(如硬金,軟金),色澤(如光亮鎳,亞光鎳,暗鎳,黑鎳,光亮錫,亞光錫,暗錫)以及電鍍工藝的要求(如電鍍鎳,化學鎳)。近年來,連接器端子電鍍后再施加封孔劑或潤滑劑越來越常見,封孔劑或潤滑劑的作用是:1,降低摩擦力,即插拔力;2,減少磨損,潤滑劑在連接器端子鍍層表面形成一層潤滑薄膜,在連接器對配時這種潤滑薄膜改善端子的摩擦,降低磨損,提高連接器的摩擦壽命;3,提高電鍍層不受腐蝕的能力,封孔劑能夠密封電鍍層在電鍍過程中形成的孔隙,降低環境對連接器端子腐蝕的可能性。
C,端子主要有三大作用:
從分離界面傳導信號或能量到永久連接界面;
提供正向力以建立和維護可分離界面;
為永久連接界面提供連接部位。
銅(合金)具有優越的導電性能(銅的導電性能在所有金屬中僅次於銀位居第二),良好的機械性能和加工工藝性。雖然銅(合金)在金屬中價格不具有很好的競爭力,但銅(合金)以其突出的綜合性能在連接器端子材料中占絕對統治地位。銅(合金)中各自的導電性能,機械性能,加工性能也相差很大,如時效熱處理后的鈹銅的機械強度是銅的機械強度的好幾倍,但銅的導電性能比鈹銅C17200和C17300高出數倍。即使是同一牌號,不同硬度狀態的銅合金的機械性能也相去甚遠,比如C5240退火狀態(O)的抗拉強度不到400Mpa而XSH狀態的C5240的抗拉強度高達1200Mpa。正因銅(合金)性能範圍較寬,在連接器設計中纔有一定的選擇餘地,也是銅(合金)成為連接器端子首選材料的原因之一。但每種銅合金還是有各自突出的優缺點,甚至有些共同的特征,如機械強度越高,加工工藝性(如成形性)越差,導電性和散熱性也往往變差,在連接器設計中要求做到較好的平衡。在連接器日益小型化,微型化,功能多元化,傳輸性能高速化的今天,要平衡好材料的性能變得越來越困難。故市場上不斷推出新的特殊性能的材料來滿足連接器設計要求。但開發商往往擁有這種材料的知識產權,這種材料在市場上的供應渠道較有限.

連接器電阻:
連接器含有3種電阻, 分別是可分離界面電阻, 即接觸電阻;端子體電阻;永久連接電阻.這3個電阻是串聯在一起,一般在10到20毫歐的數量級. 在典型的信號連接器中, 端子體電阻占較大的比例而永久連接電阻在几十或几百微歐. 在100克正向力,接觸電阻的數量級是1毫歐.故正常情況下,接觸電阻只占連接器電阻很小的比例, 但接觸電阻是個變量,當連接器的電阻變化時,總是連接器的界面電阻起變化. 這是為什麼連接器的設計/材料選擇的標準總是圍繞着保証界面穩定性這條主軸在轉的緣故.

D,外殼主要有四大作用:
絕緣隔離端子;
固定端子于正確的位置以保証連接器互配以及尺寸穩定;
為端子提供機械保護和支撐;
從連接器使用環境中屏蔽端子以減少環境對端子的腐蝕。
外殼對端子的屏蔽作用很大程度取決于外殼的結構設計,特別是外殼開口的大小,這決定了連接器應用環境對連接器界面影響的程度。這種屏蔽作用是設計工作于非常惡劣的環境下的連接器的關鍵因素。其他三大作用取決于外殼所用的聚合物材料的性能,如體積電阻率,面電阻率,蠕變強度,注塑收縮率,繞曲強度。相對來說,連接器端子設計的特點是,材料規格較少,結構千變萬化,而外殼的設計特點是,材料規格日新月異,結構卻累見不鮮。外殼材料規格之所以各式各樣是為了滿足各種各樣的要求,不僅僅是應用環境的要求,更多是零件製造工藝要求和連接器裝配要求,尤其是連接器表面貼板要求限制了外殼材料的選用。一般來說,大部分的工程聚合物能滿足連接器外殼的電氣性能要求,但環境對各種聚合物的電氣性能的穩定性影響不一,這種不同主要來源於聚合物的結構差異。聚合物有一個越來越重要的特征,就是介電常數,它是特征阻抗的主要決定參數,特征阻抗直接決定匹配性或反射大小(見上面例子)。在傳輸速度要求越來越高的今天,介電常數日顯重要。
上面提到連接器外殼兩項機械要求,尺寸穩定性和機械保護及支撐。尺寸穩定性很大程度取決于聚合物對注塑成型的變異的敏感性,如模具收縮率。這種敏感性決定于聚合物的結構。為了保証連接器的功能尺寸穩定性很重要,例如使連接器焊腳處於正確的位置以保証正確焊接到電路板的相應銅箔;再如維護端子的正確間距以保証連接器的對配性。機械保護及支撐的例子有:外殼口部的導向角---方便連接器對配;外殼過應力保護特征及外殼對端子的夾持結構。尺寸穩定性和機械保護及支撐決定于聚合物的結構,就上面例子,決定于聚合物的固有性能的穩定性,這種穩定性又取決于聚合物結構的穩定性,聚合物結構的穩定性主要是受成型工藝參數,蠕變,和溫度影響。溫度對連接器的應用裝配影響最明顯,尤其是焊接,要求最挑剔的恐怕是連接器通過表貼裝配到電路板。
連接器常用的外殼材料有, 尼龍系列(如6/6, 6/12, 6, 4/6, 高溫尼龍/HTN), LCP(液態晶體聚合物), PBT, PET, PCT, PPS, PC…
連接器結構除了上面講述的4部分外,在連接器外圍裝入金屬外殼也越來越常見,這除了加強連接器的機械保護外,主要是降低電磁波干擾/FMI/EMI/EMC.這也是連接器傳輸速度越來越高,應用頻率越來越高所致。

四, 永久連接媒介:
A, 電線和電纜.
電線由導體和絕緣皮(有的電線不含絕緣皮)組成, 絕緣皮主要有兩個作用: 將導體絕緣及保護導體預防機械損傷, 每個功能的相對重要性決定于電線的應用(特別是電線的工作溫度和工作電壓及機械應力).PVC是通用電線最常用的材料之一. 硅橡膠及其他耐磨高分子材料則常用在機械應力大的電線護套中.
銅是最常用的導體材料 – 鍍錫或銀或不電鍍. 鍍層的選擇取決于應用: 錫是通用的鍍層而銀則常用於高頻場合. 導體有兩種結構:實心(單根線)和多股(多根線)結構. 多股線在股數和
扭絞的方式上有變化,實心線在載流能力方面有優勢而多股線柔性好能較好抵禦振動. 線纜具有豐富的結構來滿足各種應用要求: 從簡單的多根導體加用於機械保護的護套的線纜到保証高頻傳輸性能的阻抗受控的屏蔽電纜.
電線/電纜結構對連接器的永久連接方式影響最大的是導體結構(實心還是多股結構)及它對屏蔽層或絕緣皮的剝離方式的要求不同.
B,PCB
PCB從單層板發展到帶有地線層和具有受控阻抗的多層板.連接器與PCB機械方式永久連接的主要手段是軟干涉(compliant pin)技術:將軟干涉端子插入到PCB的電鍍通孔, 連接的穩定性決定于端子的殘餘彈力 – 維護界面(端子插入時建立)的穩定性. 通孔有鍍銅的也有鍍錫的
焊接是連接器與pcb冶煉方式永久連接的主流技術, 有兩種方式: 穿孔式和表貼式. 穿孔式一般採用鍍通孔和波峰焊. 表貼式依賴於表面焊盤和各種焊接工藝. 波峰焊中焊料是由焊料的波峰提供-焊接時供應, 而表貼式一般是回流焊的方式,焊料在焊接前施敷. 回流焊主要有3種加熱方式: 氣相加熱,紅外線加熱及對流加熱, 也有通過波峰焊來進行來進行表貼連接的. 表貼的技術越來越流行,原因是:表貼方式增加元器件的密度和增強pcb的功能 – 允許更小的焊盤間距,避免穿孔的需要-增加可利用的空間及降低PCB線路排布的難度 – 不用避開通孔.?

五, 連接器的測試:
連接器的測試由條件設定(環境控制)和測量兩部分組成, 條件設定決定測試的類型, 如放置於腐蝕環境之後測量接觸電阻是環境測試. 連接器測試有三種常見的類型: 環境性能測試;機械性能測試;電氣性能測試.
連接器測試的基本原因是確認連接器的性能,除了設計確認測試(對模型或試產樣品進行)-驗証設計的有效性,大部分連接器測試是根據測試規範或鑑定測試程序確認連接器的性能,一般包含環境測試,機械性能測試,電氣性能測試.測試的程序, 測量和驗收標準與連接器的應用場合和市場要求有關. 針對一般應用場合和通用市場,測試的要求和驗收標準也較通用.
當具體的應用環境成為測試程序的關注點時, 測試的條件會更具體更準確反映實際的應用場合的狀況,測量和驗收標準也會如此.這被成為性能確認測試.
連接器可靠性測試類似于性能確認測試和鑑定測試,但也有兩個明顯的區別: 第一點是可靠性測試必須清楚測試條件與應用場合的相互關係(這比鑑定測試要求嚴格很多). 換句話說, 要求知道測試的加速因子, 即測試中的A條件X天對應應用中的B狀況Y年, 這種要求不易滿足也限制了可靠性測試的應用範圍.第二點不同是驗收標準-驗收標準的範圍和所需的統計處理. 鑑定測試的驗收標準是針對通用應用場合(產品允許的應用範圍較廣),即要求產品在各種常見的應用場合均能滿足性能要求,故要求較高,驗收的標準較嚴. 所以可靠性測試的驗收標準要寬鬆的多,但可靠性測試的統計要求嚴格的多,如抽樣數量要大得多,統計分析要求更高.

 

六, 連接器的性能指標
A, 機械性能
1, Engaging force / 配合力, 配合連接器端子與測量裝置所需的力;
2, Extraction force / 拔出來, 從連接器外殼穴位拔出一個連接器端子所需的力;
3, Insertion force / 插入力, 將一個連接器端子插入到相應連接器外殼穴位所需的力;
4, Mating force / 對配力, 對配連接器對所需的力, 或將連接器對配到電路板所需的力;
5, Retention force / 保持力, 一個連接器端子所能承受的不被從連接器外殼穴位拔出, 或不被破坏的最大力;
6, Separation force (Unengaging force, Disengaging force) / 分離力, 分離連接器端子與測量裝置所需的力
7, Unmating force / 分離對配力, 使對配的連接器對分離所需的力, 或使對配到電路板的連接器分離所需的力;
8, Mating cycle / 插拔循環, 對配連接器或連接器對配到電路板的重複.
B, 電氣性能
1, Contact resistance (Durability)/? 接觸電阻, 兩導體的界面之間的電阻, 接觸電阻由受限電阻(constriction resistance) 和膜電阻 (film resistance) 組成。
2, Termination resistance / 連接電阻, 被指定兩點的電連接的總電阻,連接電阻可能包括一個或多接觸電阻,捲曲連接電阻(crimp resistance), 體電阻(bulk resistance)
3, Characteristic impedance / 特征阻抗
4, Dielectric Withstanding Voltage (DWV) / Proof Voltage / 耐壓,連接器能承受的最大電壓(絕緣材料不至於出現被擊穿或電場放電)
5,Rated Current / 額定電流,在規定的工作環境下連續通電且不超過一定的溫升所能承受的電流大小(往往以安培為單位)
6,Transient current / 瞬間電流,短時間內出現的異常電流, 允許的瞬間電流與額定電流存在一定的關係。
7,Overload current / 過載電流,高于額定電流的載荷,允許的過載電流,過載時間與額定電流存在一定的關係
C, 環境性能,指連接器在工作環境下應具備的對外在環境的抵禦能力,往往通過標準的系列試驗來鑑定,如Mil-std-1344, EIA-364-XX, IEC 60512系列
連接器的工作環境和連接器的設計(和材料)決定連接器的失效方式,連接器的失效方式涉及較複雜的機理,如何通過選擇合適的試驗來模仿連接器的性能(不僅僅是跟外觀相關的要求,尤其是跟界面相關的性能,如載流能力)是連接器可靠設計的核心。

七,連接器市場
根據國外權威的連接器機構調研統計2009,2010和2011年全球銷售市場如下表(單位,百萬美元)

地區

2009年

2010年

2011年

北美

6985.3

8645.5

9167

歐洲

8486.7

10251.1

11276

日本

4495.6

6026.9

6147

中國

8055.1

10833.0

11296

亞太

4968.8

6971.1

7466

其他

2312.1

2613.8

3002

總計

35303.5

45341.1

48355

 

市場領域

2011年

電腦及週邊

9674

辦公設備

815

測試設備

1218

醫療

1765

工業

5687

汽車

10091

運輸

2112

軍工

3457

通訊

8027

消費

2661

其他設備

2848

總計

48355

預計2012年的全球市場銷售額為50058百萬美元。

全球前10名連接器廠商如下
1, 泰科電子(Tyco electronics)
2, 安費諾(Amphonel)
3, 莫仕(Molex)
4,富士康(Foxconn)
5, 法碼通(FCI)
6,失崎(Yakaki)
7, 光瀨(Hirose)
8, 住友
9,JST
10, JAE

A2550FFC

盲插連接器

       盲插連接器主要有三個方向,包括線對板(W-to-B)盲插連接器,代表最常見的方向,提供多種選擇和配置選擇; 板對板(B-to-B)盲插連接器,提供支持需要直接從電源連接到電機的應用的功能; 線對線(W-to-W)選項為公母連接器提供盲配版本,提供設計靈活性,以滿足應用的特定需求。

        同其它電子元件相比,盲插連接器的發展產品較少,間距也不會太小。OEM有時需要在接頭中連接接地,電源和/或信號觸點以在不同時間連接。

盲插連接器的主要優點之一是它們的自對準功能。 獨特的斜面設計可將每個配合的半部分引導至可靠的電氣連接。 此功能簡化了裝配,特別是當連接器不易接近時,因此減少了錯配和連接器損坏。
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