连接器的技术基础
 

连接器的技术基础

发布时间:2013-8-24 11:14:34 发布人:admin 点击:35

  1什麼是?  

 

  連接器是我們電子工程技術人員經常接觸的一種部件。它的作用非常單純:在電路內被阻斷處或孤立不通的電路之間,架起溝通

 

的橋梁,從而使電流流通,使電路實現預定的功能。連接器是電子設備中不可缺少的部件,順着電流流通的通路觀察,你總會發現有

 

一個或多個。連接器形式和結構是千變萬化的,隨着應用對象、頻率、功率、應用環境等不同,有各種不同形式的連接器。例

 

如,球場上點燈用的連接器和硬盤驅動器的連接器,以及點燃火箭的連接器是大不相同的。但是無論什麼樣的連接器,都要保証電流

 

順暢連續和可靠地流通。    就氾指而言,連接器所接通的不僅僅限於電流,在光電子技術迅猛發展的今天,光纖系統中,傳遞信號

 

的載體是光,玻璃和塑料代替了普通電路中的導線,但是光信號通路中也使用連接器,它們的作用與電路連接器相同。

  2 為什麼要使用? 

 

  設想一下如果沒有連接器會是怎樣?這時電路之間要用連續的導體永久性地連接在 一起,例如電子裝置要連接在電源上,必須

 

把連接導線兩端,與電子裝置及電源通過某種方法(例如焊接)固定接牢。這樣一來,無論對於生產還是使用,都帶來了諸多不便。 

 

   以汽車電池為例。假定電池電纜被固定焊牢在電池上,汽車生產廠為安裝電池就增加了工作量,增加了生產時間和成本。電池損

 

坏需要更換時,還要將汽車送到維修站,脫焊拆除舊的,再焊上新的,為此要付較多的人工費。有了連接器就可以免除許多麻煩,從

 

商店買個新電池,斷開連接器,拆除舊電池,裝上新電池,重新接通連接器就可以了。這個簡單的例子說明瞭連接器的好處。它使設

 

計和生產過程更方便、更靈活,降低了生產和維護成本。 

連接器的好處

 

  改善生產過程 連接器簡化電子產品的裝配過程。也簡化了批量生產過程;

 

  易於維修 如果某電子元部件失效,裝有連接器時可以快速更換失效元部件;

 

  便於升級 隨着技術進步,裝有連接器時可以更新元部件,用新的、更完善的元部件代替舊的提高設計的靈活性 使用連接器使工

 

程師們在設計和集成新產品時,以及用元部件組成系統時,有更大的靈活性。

 

  3 連接器的分類

 

  多年來連接器的分類混亂,各個廠家自有其分類方法和標準。1989年在美國國家電子配銷商協會(NEDA, 即National 

 

Electronic Distributors Association縮寫,它是一個工業教育組織 )的支持下,生產連接器的几大廠家會聚在一起,制訂了一部

 

連接器分類標準和朮語。Molex公司曾參加了制訂過程。NEDA標準     NEDA主持制訂的這個標準,稱為連接器部件分類等級(Levels 

 

of Packaging)。現摘要敘述于下表:

 

  等級描述

 

  0  IC 芯片或芯片到封裝的連接器請注意第1個等級是 "0" 級,不是 "1" 級。此級實際上並不涉及連接。 0 級就是集成電路芯

 

片。Molex公司不生產IC 芯片。但是生產把芯片連接到電路板的插座。 

 

  1  IC 組件或組件到(電路)板的連接器當IC芯片安裝在電路板的插座中時,就是1級連接。

  2 (印製)電路板(PCB)到(印製)電路板的連接器 2級連接器用於印製電路板之間的連接。.

  3  導線到電路板或分組合到分組合的連接器 3級連接器連接印製電路板和分組合、或是連接兩個分組合。分組合是電子產品的

 

組成部分。依Molex公司的習慣, 3級也包括某些導   線到導線連接器。 

  4  機箱到機箱或輸入/輸出連接器4級連接器提供功率或信號連接。一般的經驗是:當連接 涉及到音頻或視頻信號時,或是連接

 

網絡和計算機時,要使用4級連接器。

 

  關於上述連接器等級,需要注意如下幾點:

 

  ■ 某些連接器可以不止用於一個等級,例如3級連接器QF50及MX50都可以用於2級或4級。又如標稱為4級的Molex輸入/輸出用插

 

頭、插座,也可以用於導線到電路板或板到板連接。

 

  ■    實際工作中很少按照上述級別談及連接器,而是按照連接器的外觀形式和連接方式來討論它,如板到板和線到線等。級別

 

是用於學習和分類連接器的

 

  4 連接器知名廠商 

   

  1999年世界排名前10名的連接器供銷廠商

  Tyco (AMP/Thomas & Betts/Augat)

  Molex

  FCI/Berg

  Foxconn (Hon Hai)

  Amphenol

  JST

  Hirose

  3M

  ITT Cannon

  JAE

 

連接器的基礎知識

 

連接器的基本結構

 

連接器的基本結構件有①接觸件;②絕緣體;③外殼(視品種而定);④附件。

 

     1.接觸件(contacts) 是連接器完成電連接功能的核心零件。一般由陽性接觸件和陰性接觸件組成接觸對,通過陰、陽接觸

 

件的插合完成電連接。

     陽性接觸件為剛性零件,其形狀為圓柱形(圓插針)、方柱形(方插針)或扁平形(插片)。陽性接觸件一般由黃銅、磷青銅

 

製成。

     陰性接觸件即插孔,是接觸對的關鍵零件,它依靠彈性結構在與插針插合時發生彈性變形而產生彈性力與陽性接觸件形成緊密

 

接觸,完成連接。插孔的結構種類很多,有圓筒型(劈槽、縮口)、音叉型、懸臂梁型(縱向開槽)、折迭型(縱向開槽,9字形)

 

、盒形(方插孔)以及雙曲麵線簧插孔等。

 

     2.絕緣體 絕緣體也常稱為基座(base)或安裝板(insert),它的作用是使接觸件按所需要的位置和間距排列,並保証接觸

 

件之間和接觸件與外殼之間的絕緣性能。良好的絕緣電阻、耐電壓性能以及易加工性是選擇絕緣材料加工成絕緣體的基本要求。

 

     3.殼體 也稱外殼(shell),是連接器的外罩,它為內裝的絕緣安裝板和插針提供機械保護,並提供插頭和插座插合時的對準

 

,進而將連接器固定到設備上。

 

     4.附件 附件分結構附件和安裝附件。結構附件如卡圈、定位鍵、定位銷、導向銷、聯接環、電纜夾、密封圈、密封墊等。安

 

裝附件如螺釘、螺母、螺杆、彈簧圈等。附件大都有標準件和通用件。

 

連接器的基本性能

 

連接器的基本性能可分為三大類:即機械性能、電氣性能和環境性能。

 

     1.機械性能: 就連接功能而言,插拔力是重要地機械性能。插拔力分為插入力和拔出力(拔出力亦稱分離力),兩者的要求

 

是不同的。在有關標準中有最大插入力和最小分離力規定,這表明,從使用角度來看,插入力要小(從而有低插入力LIF和 無插入力

 

ZIF的結構),而分離力若太小,則會影響接觸的可靠性。

     另一個重要的機械性能是連接器的機械壽命。機械壽命實際上是一種耐久性(durability)指標,在國標GB5095中把它叫作機

 

械操作。它是以一次插入和一次拔出為一個循環,以在規定的插拔循環后連接器能否正常完成其連接功能(如接觸電阻值)作為評判

 

依據。

     連接器的插拔力和機械壽命與接觸件結構(正壓力大小)接觸部位鍍層質量(滑動摩擦係數)以及接觸件排列尺寸精度(對準

 

度)有關。

 

    2.電氣性能: 連接器的主要電氣性能包括接觸電阻、絕緣電阻和抗電強度。

     ① 接觸電阻 高質量的電連接器應當具有低而穩定的接觸電阻。連接器的接觸電阻從几毫歐到數十毫歐不等。

     ② 絕緣電阻 衡量電連接器接觸件之間和接觸件與外殼之間絕緣性能的指標,其數量級為數百兆歐至數千兆歐不等。

     ③ 抗電強度 或稱耐電壓、介質耐壓   是表征連接器接觸件之間或接觸件與外殼之間耐受額定試驗電壓的能力。

     ④ 其它電氣性能 電磁干擾洩漏衰減是評價連接器的電磁干擾屏蔽效果,電磁干擾洩漏衰減是評價連接器的電磁干擾屏蔽效果,

 

一般在100MHz~10GHz頻率範圍內測試。

     對射頻同軸連接器而言,還有特性阻抗、插入損耗、反射係數、電壓駐波比(VSWR)等電氣指標。

由於數字技術的發展,為了連接和傳輸高速數字脈衝信號,出現了一類新型的連接器即高速信號連接器,相應地,在電氣性能方面,

 

除特性阻抗外,還出現了一些新的電氣指標,如串擾(crosstalk),傳輸延遲(delay)、時滯(skew)等。

 

     3.環境性能 

     常見的環境性能包括耐溫、耐濕、耐鹽霧、振動和衝擊等。

     ① 耐溫 目前連接器的最高工作溫度為200℃(少數高溫特種連接器除外),最低溫度為-65℃。由於連接器工作時,電流在接

 

觸點處產生熱量,導致溫升,因此一般認為工作溫度應等於環境溫度與接點溫升之和。在某些規範中,明確規定了連接器在額定工作

 

電流下容許的最高溫升。

     ② 耐濕 潮氣的侵入會影響連接器的絕緣性能,並鏽蝕金屬零件。恆定濕熱試驗條件為相對濕度90%~95%(依據產品規範,可達

 

98%)、溫度+40±20℃,試驗時間按產品規定,最少為96小時。交變濕熱試驗則更嚴苛。

     ③ 耐鹽霧 連接器在含有潮氣和鹽分的環境中工作時,其金屬結構件、接觸件表面處理層有可能產生電化腐蝕,影響連接器的

 

物理和電氣性能。為了評價電連接器耐受這種環境的能力,規定了鹽霧試驗。它是將連接器懸挂在溫度受控的試驗箱內,用規定濃度

 

的氯化鈉溶液用壓縮空氣噴出,形成鹽霧大氣,其暴露時間由產品規範規定,至少為48小時。

     ④ 振動和衝擊 耐振動和衝擊是電連接器的重要性能,在特殊的應用環境中如航空和航天、鐵路和公路運輸中尤為重要,它是

 

檢驗電連接器機械結構的堅固性和電接觸可靠性的重要指標。在有關的試驗方法中都有明確的規定。

衝擊試驗中應規定峰值加速度、持續時間和衝擊脈衝波形,以及電氣連續性中斷的時間。

     ⑤ 其它環境性能 根據使用要求,電連接器的其它環境性能還有密封性(空氣洩漏、液體壓力)、液體浸漬(對特定液體的耐

 

惡習化能力)、低氣壓等。 

 

 

連接器的分類與結構

 

由於連接器的結構日益多樣化,新的結構和應用領域不斷出現,試圖用一種固定的模式來解決分類和命名問題,已顯得難以適應。儘

 

管如此,一些基本的分類仍然是有效的。

 

     1. 互連的層次 根據電子設備內外連接的功能,互連(interconnection)可分為五個層次。

     ① 芯片封裝的內部連接

     ② IC封裝引腳與PCB的連接。典型連接器IC插座。

     ③ 印製電路與導線或印製板的連接。典型連接器為印製電路連接器。

     ④ 底板與底板的連接。典型連接器為機櫃式連接器。

     ⑤ 設備與設備之間的連接。典型產品為圓形連接器。

     第③和④層次有某些重迭。在五個層次的連接器中,市場額最高的是第③和第⑤層次的產品,而目前增長最快的是第③層次的

 

產品。

 

     2. 連接器規格的層次。按照國際電工委員會(IEC)的分類,連接器屬於電子設備用機電元件,其規格層次為:

     門類(family)例:連接器

     分門類(sub-family)例:圓形連接器

     類型(type)例:YB型圓形連接器

     品種(style)例:YB3470

     規格(variant)

 

     3. 在我國的行業管理中,把連接器與開關、鍵盤等統稱為電接插元件,而電接插元件與繼電器則統稱機電組件。

 

     4. 連接器的產品類別。連接器產品類型的劃分雖然有些混亂,但從技術上看,連接器產品類別只有兩種基本的劃分辦法:

     ① 按外形結構:圓形和矩形(橫截面)

     ② 按工作頻率:低頻和高頻(以3MHz為界)

     按照上述劃分,同軸連接器屬於圓形,印製電路連接器屬於矩形(從曆史上看,印製電路連接器確實是從矩形連接器中分離出

 

來自成一類的),而目前流行的矩形連接器其截面為梯形,近似于矩形。以3MHz為界劃分低頻和高頻與無線電波的頻率劃分也是基本

 

一致的。

     至於其它按用途、安裝方式、特殊結構、特殊性能等還可以劃分出許多不同的類型,並常常出現在刊物和製造商的宣傳品中,

 

但一般只是為了突出某一特征和用途,基本分類仍然沒有超出上述的劃分原則。

     考慮到連接器的技術發展和實際情況,從其通用性和相關的技術標準,連接器可劃分以下幾種類別(分門類):

     ① 低頻圓形連接器;②矩形連接器;③印製電路連接器;④射頻連接器;⑤光纖連接器。

 

     5. 連接器的型號命名。連接器的型號命名是客戶採購和製造商組織生產的依據。在國內外連接器行業中,產品型號命名有兩

 

種思路:一種是用字母代號加數字的辦法,力求在型號命名中反映產品的主要結構特點。這種方式的好處是易於識別,但排列太長,

 

過於複雜,隨着連接器的小型化,給打印帶來很多困難。目前國內仍流行這種方式,並在某些行業標準甚至國標中作出了規定,如

 

SJ2298-83(印製電路連接器)、SJ2297-83(矩形連接器)、SJ2459-84(帶狀電纜連接器)、GB9538-88(帶狀電纜連接器)等。由

 

於連接器結構的日益多樣化,在實踐中用一種命名規則復蓋某一類連接器越來越困難。另一種思路是用阿拉伯數字組合。這種方式的

 

好處是簡潔,便於計算機管理和小型產品的標誌打印。國際上主要的連接器製造商目前均採用這種方式。可以預計由各製造商制訂反

 

映自身特色的命名辦法將會逐漸取代在計劃經濟體制下由全行業統一規定某種命名規則的辦法。

 

連接器的基本性能 

連接器的基本性能可分為三大類:即機械性能、電氣性能和環境性能。 

1.機械性能主要包括耐振動和衝擊、鎖緊方式、機械壽命、定位鍵、插拔力等。 耐振動和衝擊是重要的機械性能,在特殊的應用環

 

境中如航空和航天、鐵路和公路運輸中尤為重要,特別隨着飛機或導彈飛行速度的增加,振動和衝擊加劇,易引起絕緣安裝板裂紋、

 

導線和接觸件連接處斷裂,甚至引起插合件分離,尤其在諧振是更為劇烈,使連接器失效。衝擊試驗中應規定峰值加速度、持續時間

 

和衝擊脈衝波形,以及電氣連續性中斷的時間。 鎖緊方式是為防止振動引起連接器的分離而採用的安全可靠的連接方式,如螺紋連

 

接時加安全保險線。 機械壽命是另一個重要的機械性能。機械壽命實際上是一種耐久性指標,在國標GB5095中把它叫作機械操作。

 

它是以一次插入和一次拔出為一個循環,以在規定的插拔循環后連接器能否正常完成其連接功能(如接觸電阻值)作為評判依據。 

 

定位鍵是為防止連接器錯插合而選用的鍵結構形式。插拔力分為插入力和拔出力(拔出力亦稱分離力),兩者的要求是不同的。在有

 

關標準中有最大插入力和最小分離力規定,這表明,從使用角度來看,插入力要小,而分離力若太小,則會影響接觸的可靠性。 連

 

接器的插拔力和機械壽命與接觸件結構(正壓力大小)接觸部位鍍層質量(滑動摩擦係數)以及接觸件排列尺寸精度(對準度)有關

 

。 

2.電氣性能主要包括接觸電阻、絕緣電阻、電流和抗電強度。 

① 接觸電阻:高質量的電連接器應當具有低而穩定的接觸電阻。連接器的接觸電阻從几毫歐到數十毫歐不等。 

② 絕緣電阻:衡量電連接器接觸件之間和接觸件與外殼之間絕緣性能的指標,其數量級為數百兆歐至數千兆歐不等。 

③ 抗電強度或稱耐電壓:表征連接器接觸件之間或接觸件與外殼之間耐受額定試驗電壓的能力,取決于電路間的間隙(即接觸件間

 

距合爬電距離)及連接器中所採用的絕緣材料。 

④電流:受電連接器及其端接的導線所限制。 其它電氣性能還有電磁干擾洩漏衰減是評價連接器的電磁干擾屏蔽效果,一般在

 

100MHz~10GHz頻率範圍內測試。 對射頻同軸連接器而言,還有特性阻抗、插入損耗、反射係數、電壓駐波比(VSWR)等電氣指標。 

 

由於數字技術的發展,為了連接和傳輸高速數字脈衝信號,出現了一類新型的連接器即高速信號連接器,相應地,在電氣性能方面,

 

除特性阻抗外,還出現了一些新的電氣指標,如串擾(crosstalk),傳輸延遲(delay)、時滯(skew)等。

3.環境性能 常見的環境性能包括耐溫、耐濕、耐鹽霧腐蝕等。 

① 耐溫:目前連接器的最高工作溫度為200℃(少數高溫特種連接器除外),最低溫度為-65℃。由於連接器工作時,電流在接觸點

 

處產生熱量,導致溫升,因此一般認為工作溫度應等於環境溫度與接點溫升之和。在某些規範中,明確規定了連接器在額定工作電流

 

下容許的最高溫升。 

② 耐濕:潮氣的侵入會影響連接器絕緣性能,並鏽蝕金屬零件。恆定濕熱試驗條件為相對濕度90%~95%(依據產品規範,可達98%)

 

、溫度+40±20℃,試驗時間按產品規定,最少為96小時。交變濕熱試驗則更嚴苛。

③ 耐鹽霧腐蝕:連接器在含有潮氣和鹽分的環境中工作時,其金屬結構件、接觸件表面處理層有可能產生電化腐蝕,影響連接器的

 

物理和電氣性能。為了評價電連接器耐受這種環境的能力,規定了鹽霧試驗。它是將連接器懸挂在溫度受控的試驗箱內,用規定濃度

 

的氯化鈉溶液用壓縮空氣噴出,形成鹽霧大氣,其暴露時間由產品規範規定,至少為48小時。 其它環境性能:根據使用要求,電連

 

接器的其它環境性能還有密封性(空氣洩漏、液體壓力)、液體浸漬(對特定液體的耐惡習化能力)、低氣壓等。

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