连接器设计手册(第一章),连接器总述

2020年10月18日
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这是连接器设计手册的系列文章的第一篇,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资料。

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平也将加以描述。

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
‧ 接触弹性元件
‧ 连接器塑胶本体

上述元件已列在图表1.1中。

本手册将会在后面的章节中详细介绍上述元件中的每一件,既要从材料上又要从设计上介绍。从这个意义上,一个概要的各个元件介绍将能提供足够后述讨论的上下文背景。

连接器设计手册(第一章),连接器总述图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,它们在基本元件上具有共同之处.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。

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。

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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

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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。

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图1.6显示了模拟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元件的电阻。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

连接器设计手册(第一章),连接器总述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(PWBS)。

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。

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1.4.2 印制电路板

PWB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。PWB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PWB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PWB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。PWB通孔电镀材料采用铜或锡/铜合金。

在PWB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PWB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PWB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。
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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(PWB)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。

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第3级‧第3级连接是PWB之间的连接。插座(第2级)已经包含了电连接器的基本元件,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PWB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PWB的边缘。而两件式电连接器,其插头及插座构成金属接触。随PWB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PWB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 级连接是系统与周边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PWB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PWB有穿孔技术及SMT技术,穿孔技术穿孔技术(THT)利用在PWB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PWB,PWB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叠性,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。了解该等相互交叠性质,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叠状况。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胶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他的用途,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。

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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,在其他的应用当中,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:模拟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。

不论模拟或数字信号连接器,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模拟信号有所区别,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模拟信号要快得多,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。)

连接器设计手册(第一章),连接器总述更高的交叉部分、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PWB,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

连接器设计手册(第一章),连接器总述

表1.1 连接器测试类型

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。

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