电气系统中的连接器是什么(二)之连接器的结构
来源:www.wonplug.net | 作者:wonplug | 发布时间: 2020-09-23 | 186 次浏览 | 分享到:
  一、电气系统中连接器的结构
  
  连接器的用途甚广,结构差异很大,下面介绍较典型的电子连接器的结构,典型的电子连接器往往由4部分组成:1:界面;2:电镀层;3:端子/弹片;4:塑料外壳/housing。
  
  A界面被认为是连接器最重要的组分,正是界面决定了接触电阻和连接器的寿命以及失效模式,对界面结构的意识是理解连接器如何起作用和设计连接器的根本。界面分为分离界面和连接界面。
  
  可分离界面是连接器对配时形成,界面的结构主要取决于端子(弹片)的几何形状,端子与端子之间的(正向)力以及电镀层。
  
  连接界面是连接器连接(往往是一次性连接)到子系统时形成的。连接器的连接媒介往往是电线电缆和电路板。连接有两大类方式,机械式和焊接式。机械式包括Crimp方式,Clamp方式,IDC,过盈配合(press-in)---过盈配合又分成硬过盈和软过盈,刺破方式(piercing)和绕线(wrapped)等。每种连接方式有它的连接特点和优缺点,应根据应用场合,可靠性要求,连接效率要求,连接空间,连接技术要求,连接工具等加以选用。但有的连接方式只能用于电线电缆,有的则用于电路板,而有的用于两者。如IDC,Crimp,Clamp,Piercing用于电线;过盈配合用于电路板;焊接可用于电线电缆也能用于电路板。
  
  B电镀层主要有两大作用:保护端子不受腐蚀及优化界面。
  
  优化界面涉及触点物理学内容和电镀理论,是连接器设计的核心之一。连接器可靠的连接源自于界面的金属与金属的接触(金属与金属的接触面之间不存在不导电的物质成分)。电镀使界面间的金属直接接触成为可能,但每种镀层的特点和性能不一样,基本上分成两大类:贵重金属和非贵重金属。贵重金属镀层有金(合金),钯(合金)铑(合金)…,非贵重金属镀层有银(合金),镍(合金),锡(合金),铜(合金)。贵重金属本身不会氧化(至少在一定纯度和温度范围内不会氧化)故贵重金属镀层连接器的设计目标之一是防止不导电的物质成分在界面出现而非贵重金属镀层连接器的设计目标之一是防止镀层本身氧化。不同的镀层意味着不同的失效方式,不同的镀层要求不同的设计方案或参数(如正向力),也产生不同的性能。界面的性质不同(如分离界面和连接界面)也要求不同的镀层。镀层的选择影响甚至决定接触电阻的稳定性,正向力的大小,连接器外壳的设计,插拔寿命,配合力…。
  
  连接器根据其应用和设计的需要,镀层也有厚度,硬度(如硬金,软金),色泽(如光亮镍,亚光镍,暗镍,黑镍,光亮锡,亚光锡,暗锡)以及电镀工艺的要求(如电镀镍,化学镍)。近年来,连接器端子电镀后再施加封孔剂或润滑剂越来越常见,封孔剂或润滑剂的作用是:1,降低摩擦力,即插拔力;2,减少磨损,润滑剂在连接器端子镀层表面形成一层润滑薄膜,在连接器对配时这种润滑薄膜改善端子的摩擦,降低磨损,提高连接器的摩擦寿命;3,提高电镀层不受腐蚀的能力,封孔剂能够密封电镀层在电镀过程中形成的孔隙,降低环境对连接器端子腐蚀的可能性。
  
  C端子主要有三大作用:
  
  1.从分离界面传导信号或能量到连接界面;
  
  2.提供正向力以建立和维护可分离界面;
  
  3.为连接界面提供连接部位。
  
  铜(合金)具有优越的导电性能(铜的导电性能在所有金属中仅次于银位居第二),良好的机械性能和加工工艺性。虽然铜(合金)在金属中价格不具有很好的竞争力,但铜(合金)以其突出的综合性能在连接器端子材料中占统治地位。铜(合金)中各自的导电性能,机械性能,加工性能也相差很大,如时效热处理后的铍铜的机械强度是铜的机械强度的好几倍,但铜的导电性能比铍铜C17200和C17300高出数倍。即使是同一牌号,不同硬度状态的铜合金的机械性能也相去甚远,比如C5240退火状态(O)的抗拉强度不到400Mpa而XSH状态的C5240的抗拉强度高达1200Mpa。正因铜(合金)性能范围较宽,在连接器设计中才有一定的选择余地,也是铜(合金)成为连接器端子材料的原因之一。
  
  但每种铜合金还是有各自突出的优缺点,甚至有些共同的特征,如机械强度越高,加工工艺性(如成形性)越差,导电性和散热性也往往变差,在连接器设计中要求做到较好的平衡。在连接器日益小型化,微型化,功能多元化,传输性能高速化的今天,要平衡好材料的性能变得越来越困难。故市场上不断推出新的特殊性能的材料来满足连接器设计要求。但开发商往往拥有这种材料的知识产权,这种材料在市场上的供应渠道较有限.
  
  4.连接器电阻:
  
  连接器含有3种电阻,分别是可分离界面电阻,即接触电阻;端子体电阻;连接电阻。这3个电阻是串联在一起,一般在10到20毫欧的数量级.在典型的信号连接器中,端子体电阻占较大的比例而连接电阻在几十或几百微欧。在100克正向力,接触电阻的数量级是1毫欧。
  
  故正常情况下,接触电阻只占连接器电阻很小的比例,但接触电阻是个变量,当连接器的电阻变化时,总是连接器的界面电阻起变化。这是为什么连接器的设计/材料选择的标准总是围绕着保证界面稳定性这条主轴在转的缘故。
  
  D外壳主要有四大作用:
  
  1.绝缘隔离端子;
  
  2.固定端子于正确的位置以保证连接器互配以及尺寸稳定;
  
  3.为端子提供机械保护和支撑;
  
  4.从连接器使用环境中屏蔽端子以减少环境对端子的腐蚀。
  
  外壳对端子的屏蔽作用很大程度取决于外壳的结构设计,特别是外壳开口的大小,这决定了连接器应用环境对连接器界面影响的程度。这种屏蔽作用是设计工作于非常恶劣的环境下的连接器的关键因素。
  
  其他三大作用取决于外壳所用的聚合物材料的性能,如体积电阻率,面电阻率,蠕变强度,注塑收缩率,绕曲强度。相对来说,连接器端子设计的特点是,材料规格较少,结构千变万化,而外壳的设计特点是,材料规格日新月异,结构却累见不鲜。外壳材料规格之所以各式各样是为了满足各种各样的要求,不仅仅是应用环境的要求,更多是零件制造工艺要求和连接器装配要求,尤其是连接器表面贴板要求限制了外壳材料的选用。
  
  一般来说,大部分的工程聚合物能满足连接器外壳的电气性能要求,但环境对各种聚合物的电气性能的稳定性影响不一,这种不同主要来源于聚合物的结构差异。聚合物有一个越来越重要的特征,就是介电常数,它是特征阻抗的主要决定参数,特征阻抗直接决定匹配性或反射大小(见上面例子)。在传输速度要求越来越高的今天,介电常数日显重要。
  
  上面提到连接器外壳两项机械要求,尺寸稳定性和机械保护及支撑。尺寸稳定性很大程度取决于聚合物对注塑成型的变异的敏感性,如模具收缩率。这种敏感性决定于聚合物的结构。为了保证连接器的功能尺寸稳定性很重要,例如使连接器焊脚处于正确的位置以保证正确焊接到电路板的相应铜箔;再如维护端子的正确间距以保证连接器的对配性。机械保护及支撑的例子有:外壳口部的导向角---方便连接器对配;外壳过应力保护特征及外壳对端子的夹持结构。尺寸稳定性和机械保护及支撑决定于聚合物的结构,就上面例子,决定于聚合物的固有性能的稳定性,这种稳定性又取决于聚合物结构的稳定性,聚合物结构的稳定性主要是受成型工艺参数,蠕变,和温度影响。温度对连接器的应用装配影响最明显,尤其是焊接,要求最挑剔的恐怕是连接器通过表贴装配到电路板。
  
  连接器常用的外壳材料有,尼龙系列(如6/6,6/12,6,4/6,高温尼龙/HTN),LCP(液态晶体聚合物),PBT,PET,PCT,PPS,PC…
  
  连接器结构除了上面讲述的4部分外,在连接器外围装入金属外壳也越来越常见,这除了加强连接器的机械保护外,主要是降低电磁波干扰/FMI/EMI/EMC.这也是连接器传输速度越来越高,应用频率越来越高所致。

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