连接器设计手册要点

1译者：2目录第一章连接器总述2第二章接触接口及接触过程20第三章接触镀层32第四章接触弹片材料62第五章连接器用工程热塑性材料85第六章可分离式电连接器102第七章永久性连接概述121第八章电线与线缆125第九章电线与线缆的机械式永久连接138第十章印刷电路板157第十一章至电路板的永久性连接173第十二章连接器的应用187第十三章连接器的类型213第十四章连接器／插座测试2343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4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5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，insulationdisplacement，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insulationdisplacement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。6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7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8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9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