這一章包括連接器技術的總述,在後面的章節之中將會提供各獨立主題的詳細背景資料。
定義一個連接器至少有兩種方法:從功能上和從結構上。
第一種描述連接器的方法是就其應該達到和必須達到的要求而言的。這樣的定義集中在連接器所應用的功能性和操作的環境。第二種描述連接器的方法集中在連接器本身,及它的設計方法和製造材料。由於連接器的應用、操作環境及功能性要求直接影響連接器的設計,本文就從連接器的功能性定義開始。
1.1 連接器功能
連接器的應用範圍十分廣泛,本手冊的重點將會放在電連接器上,其主要應用於3C產品。從這個重點可以提出電連接器的功能性定義是:
電連接器是一種電機系統,其可提供可分離的界面用以連接兩個次電子系統,並且對於系統的運作不會產生不可接受的作用。
定義中關鍵詞是」電機系統」,」可分離的」和」不可接受的作用」。
連接器是一種電機系統是因為,它是通過機械方法產生的電性連接。如將要討論到的,機械式彈簧的偏向會在配合的兩部分間產生一個力量,這就使得接口配合面之間產生金屬性接觸。應用連接器在首要地方的原因是配合接口具有可分離性。可分離性的需要性具有很多的原因。它可以使得獨立地製造部份或子系統而最後裝配可在一個主要的地方進行。可分離性也可以使得零件或子系統的維護或升級不必修改整體個系統。可分離性得以應用的另一個原因是可攜帶性和支持外圍設備的擴展。
另一方面,定義中的可分離性引入了一個額外的子系統間的界面,此界面不能引入任何」不可接受的作用」,尤其是在系統的特性上不能受電訊的影響,這些影響包括如不可接受的扭曲變形和系統間的信號退化,或者是通過連接器的電源損失,以毫伏損失計算的電源損失,將會成為功能性的主要設計標準,因此主機板的電力需求也將增加。
可分離性的需求和」不可接受性」的限度要由連接器的應用而定。可分離性包括配合周期的數目,配合周期是指連接器在不影響其性能必須提供的,以及與另一連接器相配合所必需的作用力。典型的配合周期需求其範圍從內部連接器的幾十個周期到外圍設備的幾千個周期,比如PCMCIA型連接器。由於電路或功能的數量以及連接器互相連接的增加,配合力量的需求變得更加的重要。為了提供更多的功能性,連接器上端子的位置也必須要增加,這樣就導致了更高的連接器配合力量。由連接器的使用和功能而定,其端子數從幾十到上千不等。可分離性和配合力量需求將會詳細地在1.5.1部分中論述,同時歸類連接器的互相連接的技術水平也將加以描述。
現在我們將要考慮的轉向第二種定義連接器的方法-結構性的或者說設計/材料上的定義。
1.2 連接器結構
一個基本的連接器包括四個部分:
接觸界面
接觸塗層
接觸彈性元件
連接器塑膠本體
上述元件已列在圖表1.1中。
本手冊將會在後面的章節中詳細介紹上述元件中的每一件,既要從材料上又要從設計上介紹。從這個意義上,一個概要的各個元件介紹將能提供足夠後述討論的上下文背景。
圖1.1為簡要的連接器相交剖視圖,插圖(A)為接觸塗層示意圖,插圖(B)為接觸界面微觀結構圖。
1.2.1接觸界面
事實上必須考慮到有兩種不同的接觸界面:可分離界面和固定(永久性)界面。可分離界面(圖1.1,插圖A)由於在首要的地方使用連接器而已經被明確的提到。固定(永久性)界面是當兩個子系統相連接時在連接器功能性定義中被提到。這些界面被稱為固定(永久性)界面是因為,一般說來它們只製造一次而固定使用。固定連接的例子包括位於圖1.1左邊的捲曲型連接和位於圖1.1右邊的壓力型。在可分離性界面和固定連接之間存在很多的不同點,包括結構上和需求上的,它們在基本元件上具有共同之處.在兩種情況下,產生和維護金屬接觸界面需要達到我們所期望的電力要求。此外,在兩種情況下,金屬性界面的產生是通過機械方法。
可分離界面是在每次連接器配合時建立的。界面的結構主要是由接觸端的幾何形狀、端子之間的作用力以及接觸塗層而定。如圖1.1中插圖B所示,可分離界面包括有微小的連接部,位於微觀下的粗糙表面在常力的接觸之下。可分離界面形態學將會在第二章中加以詳細描述從這個意義上講,足以陳述接觸界面的形態學將決定三個重要的連接器功能性參數:接觸阻力,連接器配合力以及連接器耐用性(例如:配合周期將仍然支持其性能而不會退化)。
很多固定式連接分屬於兩種基本類別:治金式和機械式。治金式如焊接,它要由連接器和子系統之間接觸界面的結構而定。低溫焊接是主要的治金式連接,高溫焊接同樣也被應用,並且在較小的線纜中應用得越來越多。低溫焊接連接在製造印刷線路板裝配上尤其重要。而許多零組件要被焊接在印刷線路板,連接器就是其中最大的零組件之一。兩種主要的焊接技術:穿孔焊接和表面焊接將會在1.4.2部分和第11章中介紹。
機械式的固定連接有捲曲型,insulationdisplacement,壓力型,遮蔽型。機械式的固定連接的圖解如圖1.2所示。捲曲型和insulationdisplacement型連接主要用在線纜上,壓力型連接主要用於通孔鍍金的印刷線路板上,遮蔽型連接是用在插入式印刷線路板。每一種都將會在後面的章節中詳細介紹。
1.2.2 接觸塗層
接觸塗層如圖1.1中插圖A所示,顯示了兩個重要的功能:
.避免接觸彈簧基部金屬腐蝕
.優化接觸界面的結構
第一個功能非常簡單僅僅需要接觸彈簧組件一般為銅合金,完全被塗層覆蓋,並且塗層自身能防腐蝕和能像薄膜一樣覆蓋在表面。而第二個功能就要複雜得多。
優化接觸界面的方法,其實質就是對出現在接觸界面上的薄膜的規劃管理。如前所述,一個穩定且較小的接觸阻力由一不含薄膜的金屬界面產生。兩種主要的接觸塗層,貴重金屬(金,鈀以及由它們組成的合金)和非貴重金屬(如錫),它們的不同主要是指在接觸界面上的薄膜類型。對貴重金屬(尤其是金)來說,接觸塗層是惰性的,維護接觸界面的完整性需要保護防止外部塗層的薄膜形成,主要是防止銅的接觸彈簧。對錫這種最常用的非貴重金屬來說,存在其表面的氧化問題是主要被考慮的。這些不同的腐蝕過程將被反映到連接器的設計標準和性能上。接觸塗層的性質和選擇的標準將會在第3章中加以討論。我們曾經考慮過可分離式和固定式接觸界面。事實上一些不同的塗層被用於可分離式和固定式連接接觸末端。此類接觸與雙向電鍍相關。最普通的雙向接觸電鍍包括一個金-鎳合金可分離式界面和鍍錫固定式界面。
貴金屬鍍層.貴金屬鍍層實際上是一個複合層,它是指在前面第1.1圖A中所述的接觸彈片基材上覆蓋一層鎳,然後在鎳的表面上再覆蓋一層貴金屬。常見的貴金屬表面鍍層是純金,但現在也有用鈀或者鈀合金代替純金的,而且這種做法還在呈上升趨勢。在許多情況下,鈀或鈀合金層與純金層接合使用以防止來於比純金抗腐蝕能力差的鍍層被腐蝕的影響。典型的貴金屬層是在1至2.5微米厚的鎳層上覆蓋0.4至0.8微米厚的貴金屬層。在鈀或鈀合金表面的純金層只有0.1微米厚。下面兩種鈀合金最常用:80%的鈀與20%的鎳和60%的鈀與40%的銀。
鎳底層在幾個方面提高了接觸性能。這幾點將在第三章進行詳細說明,下面僅列出來供參考。
減少孔隙腐蝕
提供轉移腐蝕對象的覆蓋層
限制基材成分的分布
提高鍍層的耐久性
普通金屬鍍層.錫是最常用的普通金屬鍍層,錫鍍層的厚度介於2.5到5微米之間。現在越來越多地用錫作鍍層,因為,即使錫被氧化,在插拔過程中,錫氧化物也會很輕易地脫落,從而不影響導電性能。然而,表面層再氧化會以磨損的方式降低錫接合面的機械性能。磨損來源於幾微米到幾十微米的微小滑移。由於在磨損過程中,部分鎳被再次氧化,從而使得鍍層的電阻增加。對於用錫作為鍍層的連接器來說,預防磨損是最重要的工作。較大的接觸壓力和使用合適的潤滑濟是兩種能有效地降低磨損的途徑。這一點將在第三章詳述。其它的普通金屬鍍層,包括鎳和銀,也將在第三章詳述。
總之,對貴金屬鍍層來說,保護貴金屬層是首要目的;對錫鍍層來說,防止磨損是首要目的。這些考慮方向的不同將直接影響連接器的設計參數。例如,正常壓力大小、接觸處幾何形狀、絕緣本體設計以及諸如插拔力和耐久性等的結構特性等都將受到影響。這些都將在第三章敘述。
1.2.3接觸彈片
接觸彈片在連接器上具有以下3個作用:
在組件之間提供一條導通電訊的路徑
產生形成並維持接觸彈片接觸面的壓力
形成穩固的接觸
第一個作用,只要使用常用的銅或者銅合金材料就可輕易達到令人滿意的效果。銅合金的導電率雖然不是很低,只有銅導電率的10%到30%,但是,對大多數連接器來說,這個導電率已經足夠了。然而材料的導電率在用作高電流或能量分配的連接器中的確起著越來越重要的作用,因為,在這種連接器中,由爾熱和微電壓降引起的規定溫升要求更低的阻抗。
其它兩個作用就要複雜的多,並且涉及到材料特性和設計參數之間的相互作用。接觸彈片包括兩種基本類型:插座彈片,通常是彈性的;插頭彈片,通常是剛性的,它使插座彈片產生彈性變形,從而產生固持力。圖1.3顯示了插頭彈片的外形圖,圖1.4顯示了插座彈片的外形圖。圖1.3顯示了帶有插入插座彈片的金手指的列印電路板和導柱/端子插頭的幾何外形。導柱與端子的外形不一樣,導柱是方的,而端子是圓的。圖1.4顯示了幾種連接器的設計,所有這些都要與接觸彈片對接。事實上,所有的這些設計都顯示了尤其與一種稱為25方的接觸彈片對接,該接觸彈片呈正方形,邊長為0.025英寸。
我們必須綜合考慮材料的各種性能,並力求達到均衡。對於可分離式接觸界面,接觸彈片彈性的主要功用是提供介於兩插接面的對接力。材料特性指楊氏模數和屈服極限。這些性質嚴重地影響著彈性偏移性能和彈性偏移量。屈服極限也很重要,因為它可降低插拔力。然而彈性強度必須與製造和捲曲性能對應。例如,用於提供在對接面產生彈性對接力的機械強度(用屈服極限來衡量)是與成型性能和鍛造性能相互對立的。以下各章將陸續對此進行討論
1.2.4連接器本體部分
連接器本體部分具有如下作用:
使各接觸彈片相互隔離,不能電性導通
固定各接觸彈片
對各接觸彈片進行機械保護
對各接觸彈片進行工作環境遮蔽保護
最後一個作用—環境遮蔽,與連接器本體的設計有關,尤其與連接器本體的封閉程度有關。這種遮蔽效果在惡劣的環境中顯得尤其重要。圖1.5顯示了一個有關環境遮蔽的直觀例子。該圖顯示的試件是鍍銀的,並且是在被暴露於模擬工業環境的情況下插到圖示的連接器的卡邊。環境中的硫腐蝕了金屬外表。然而,當試樣插入本體後,腐蝕便停止了。雖然卡邊還有一條卡邊緣槽,但是,遮蔽效果還是相當理想的。更為重要的是,這種影響可以從暴露於這種環境的連接器的接觸彈片阻值變化看出來。
圖1.6顯示了模擬工業環境和暴露時間對接觸彈片阻值的影響。實驗環境中包括硫氫化物、氮氧化物和氧化物,濃度為十億分之幾十到幾百就足夠了。數據對插接的和未插接的連接器都適用。樣品也獲得了一些抵抗環境的性能。在暴露了數十小時後,沒有本體的接觸彈片,其接觸阻值明顯地增加了,有本體的接觸彈片,其接觸阻值卻很少變化,這樣的接觸彈片在工業環境中可以使用10年。這些數據說明了絕緣本體的遮蔽效果。
上述列舉的其它一些連接器本體作用與連接器本體的材料特性有關。電子特性包括電阻係數和擊穿電壓。這些特性影響接觸彈片在連接器本體的絕緣性能。重要的機械性能包括彎曲強度和蠕變強度,因為這些性能影響接觸彈片在本體上的牢固程度。與溫度有關的特性包括連續使用和加熱使聚合體變形的溫度值。使用溫度和設計溫度是相互關聯的。在許多情況下,尤其在表面組接中,溫度起著非常重要的作用。
考慮化學和溫度對絕緣本體尺寸穩定的影響也是很重要的。維持連接器中心線的間距、直線度、平滑度以及曲度對連接器的裝配性能和插接性能都是很關鍵的。這些特性,除了與聚合體的基本特性有關外,還與成型過程有關。接觸彈片具有材料單一而設計式樣千變萬化的特點,而絕緣本體卻具有與之相反的特點。絕緣本體的設計一般都具有許多相同的特徵和要求,但其材料卻不盡相同。絕緣本體的材料是由各種需要決定的。絕緣本體的材料不但要適應使用環境,而且還要和裝配相對應。在許多情況下,正是裝配過程決定了使用何種材料。連接器的材料和設計內容將在第五章進行討論。
1.2.5連接器結構的歸納
本節將對連接器結構進行簡單的回顧,其目的是提供一些以後將討論的有關連接器材料和設計標準等的內容。前面已提及的一些參數,例如:插拔力、孔數以及絕緣性能等,將在後續章節進行討論。然而,在結束本節之前,還要談談連接器的又一個重要性能。
1.3 電連接器阻抗
圖1.7除了側重點不一樣外基本相似,圖1.7突出裝入系統內連接器元件的電阻。包括三種:
可分離可分離接觸面電阻
接觸彈片電阻
固定連接電阻
如果測出圖1.7中電連接器A,B兩端所有的電阻,其阻值大概為10-20微歐級,可根據下面等式確定:
R0=Rpc+Rb+Ri (1.1)
其中, R0:總電阻
Rpc:固定連接電阻
Rb:接觸彈片電阻
Ri:可分離可分離接觸面電阻
對典型信號端子而言,接觸彈片電阻佔總電阻的絕大部分。與此相反,固定連接電阻可從幾十到幾百微歐。可分離接觸面電阻,在100克力作用下,為微歐級。故該電阻只佔總電阻的很小部分。但是後二者的重要性在於,它們的電阻是可變的。當電連接器電阻變化時,可能是因為一個或二個可分離接觸面電阻的增加。這就是電連接器設計/原料的標準圍繞為確保這些接觸穩定而變化的原因。
1.4 固定連接介質
前面已經指出固定連接是與被連接電路直接連接,有兩種主要通過這些電連接器連接起來的媒體:(a)導線或線纜與(b)印製電路板(PWBS)。
1.4.1線與線纜
本節將對導線和線纜作簡要概述,而在第八章作詳細討論。導線由一個導體或,如果有的話,若干導體及其絕緣體組成。
絕緣體有兩個功能:它使電導體絕緣並保護其不受機械損傷。哪種功能更為重要一些,依靠導線所用何處,根據導線的運用(尤其是導線上將要承受的溫度和電壓)和運用環境的機械強度來決定。聚氯乙烯(PVC),聚乙烯,以及聚丙烯是其中為通常運用目的而採用的最普通的絕緣材料,矽樹脂橡膠和其它的抗磨性聚合體在有機械環境要求時常用作被覆材料。
銅是最普通的導電材料,不管其是否鍍錫或鍍銀。選擇電鍍是基於它的運用,錫是通常運用的電鍍金屬而在高頻率運用中則要求鍍銀。導線通常可分為兩種:實心與多芯。實心導線由單一導體構成,而多芯導線由若干導體構成。多芯導線在芯線數及其位置或纏繞方式上有所不同,實心導線在導電能力上較有利,但多芯導線對振蕩有重要的適應性及抵抗性。
線纜存在於各種各樣的構造中,以滿足一定運用範圍的需要,其與單純導線倍加在一有被覆的導線不同,可提供機械保護,同時可減少為確保在高頻傳輸中隔離防護處理的必要性電阻。
導線/線纜結構對機械固定式連接最重要的影響是:單股/多股電連接器的不同及導線/線纜結束製程去除或處理屏蔽層或絕緣體的必要性。
1.4.2 印製電路板
PWB技術已經從50層單面板發展到帶接地平面的複合式的神經網絡板與可控阻抗網絡板。PWB製造工藝及運用要求將在第十章討論。本節僅討論有關固定連接本身。
運用在PWB上比較成熟的機械連接技術為壓印,及更優的適應性壓印連接。在該技術中與壓印相關的端子腳插入PWB中的通孔。其連接的穩定性依賴於插入時形成的相應完全接觸面殘餘的彈性力。PWB通孔電鍍材料採用銅或錫/銅合金。
在PWB應用程式中比較流行的治金技術是焊接。有兩種焊接方式常被運用,穿孔技術(THT)與表面粘貼技術(SMT)。穿孔技術(THT)利用穿孔及波峰焊程序。而表面粘接技術(SMT)更依賴於表面襯墊,或平臺,及不同的焊接過程。與通過波峰焊的THT技術相對的是,表面粘接技術(SMT)是一個回流過程,在該程序前必須先通過大量技術處理貼好焊劑。SMT程序包括波峰,汽洗,紅外加熱,對流,及這些程序的組合。SMT因為零部件的高密度與PWB所含功能其應用迅速提高。SMT允許減小平臺間隔以提高零部件密度,同時通過消減穿孔數目提高板的配線路徑。
與可分連接的兩個例子一樣,圖1.9提供了幾種PWB固定連接的圖示說明:卡邊緣式電連接器及兩件式電連接器。二者的具體運用將在第十三章討論。
1.4.3 小結
關於電連接器的材料/設計及連接媒體的討論已經涉及到許多電連接器具體特性的要求,因此,接下來本文將對電連接器作簡要的說明。
1.5 電連接器應用
電連接器的運用可以從兩方面來考慮:電連接器用在何處,例如它裝在設備上的位置,以及如何運用,例如電連接器的功能是信號傳輸還是配電,其中電連接器用在何處應優先考慮。
1.5.1 相互連接的層次
通常描述電連接器用在何處的方法是根據電連接器的連接層次(LOI)。許多描述採用這種方式,而本手冊通常採用Granitz所述方法。LOI是指兩個連接的電路板,而非指相互連接的程序及其種類。大量連接程序與連接/連接器種類可用在給定層次的連接上。圖110說明了與電子底板連接的連接層次。
第1級第1級連接是晶片外部的熱壓焊襯墊與其外殼或所安裝主電路板間的連接。導線粘接及各種不同的焊接技術基本上屬於第1級連接,這些連接方式大多傾向於固定連接。
第2級第2級連接是外殼與印製電路板(PWB)的連接。DIP與PGA插座是第2級連接的兩個基本例子。然多晶片模塊(MCMS)使該定義有點複雜,但,通常,為了本論題討論(MCM)可被看作一外殼,第2級連接為典型的固定連接,但為了修復與升級的目的,插座是由可插入的若干零部件組成。
第3級第3級連接是PWB之間的連接。插座(第2級)已經包含了電連接器的基本元件,正是在第3級將會出現更多電連接器的慣用概念。有兩種基本的PWB電連接器:卡邊緣式電連接器與兩件式電連接器。正如其名稱所暗示的,卡邊緣式電連接器的一半(即插頭或插座)為PWB的邊緣。而兩件式電連接器,其插頭及插座構成金屬接觸。隨PWB尺寸及安裝接腳需求的增加,為縮小容許公差量及減少幾何形狀的限制,兩件式電連接器的運用比邊緣式電連接器佔有優勢。
第4級第4級連接是系統組件間的連接。系統組件可能是單個的PWB或分離的單元例如硬碟驅動器或電源。典型的第4級連接根據連接組件的種類,可包括兩件式電連接器與線纜裝配。
第5級第5級連接是系統組件與系統輸入/輸出間的連接。系統組件與系統輸入/輸出間的連接可以是直接安裝在板上的電連接器或通過一線纜。
第6級第6 級連接是系統與周邊設備或系統間的連接。這些連接典型的是線纜裝配。
附:上述幾節對電連接器電阻的構成、導線及線纜的區別、電連接器與PWB的兩種連結技術及電連接器的連接層次作了簡要的介紹。電連接器的總電阻由固定連接電阻、接觸彈片電阻、可分離接觸面電阻三部分組成,其中接觸彈片電阻佔總電阻的絕大部分。線纜與導線除了結構有所不同外,更主要是在其應用及抗幹擾功能上的不同。電連接器與PWB有穿孔技術及SMT技術,穿孔技術穿孔技術(THT)利用在PWB上穿孔及波峰焊程序,SMT已有介紹。電連接器的連接可基本分為六級層次,即:晶片與外殼或主電路板,外殼與PWB,PWB之間,系統組件間,系統組件與輸入/輸出,系統間或系統與其外設間。關於級別六,是有關系統與外圍設備或者系統與系統之間的相互連接,最典型的便是用相連裝配方式來連接。
在與連接器的設計、選用方面,目前所用的連接器其相互連接的級別是從以下幾點考慮:
1.可分離性及耐久性的需要(可提供方便的插拔效果)
2.標準性(具有通用的標準,可互換)
可分離性及耐久性:
早期規定,級別1和級別2所定的相互接合專指持久性。級別3是最先將相互連接的可分離性作為考慮因素而提出的,尤其是對於那些插拔次數較多的連接器,對其持久性的考慮將不是擺在最重要的位置,而對插拔力大小的考慮,隨著端子數的增多而顯出越來越重要的地位。低插入力和零插入力連接器是目前人們致力開發的對象。當然,隨著晶片和MCMs上的端子數的增多,該等低插入力連接器或者零插入力連接器在設計時也會注重其端子耐久性的考慮以滿足連接級別2的要求。級別4和級別5著重強調連接器要滿足其不斷增加的插拔次數的需要。按這樣的標準制出的連接器其端子插拔力較為適當,實際上,該等連接器即使其端子數為幾十乃至幾百,其插拔力仍會小於級別3連接器的插拔力。級別6所提供的連接器在保持原有插拔力不變的基礎上,使端子有效插拔次數大幅度提高。某些與外圍設備相連的諸如電子卡連接器的端子連接,其要求插拔次數不低於數千次,這就需要在可分離之界面嚴格地控制其設計及選材等各種因素,尤其要提高小型化連接器之結構緊密度。
標準性:
標準性是指各種不同的連接方式之間具有通用的標準,級別1和級別2所指的連接器其包裝和插裝的標準是很重要的。其生產和組裝過程會涉及到一部分該標準性以滿足第3、第4級別之要求,而第5、第6級別的連接器其相干性及兼容性則顯得更加重要。
這一觀點主要是針對各種級別的連接步驟作出簡要說明,指出各級別連接方式之間具有相互交疊性,而且同一連接器或連接器類型可用在不同的連接級別當中。了解該等相互交疊性質,將會有助於了解以後所介紹的各類連接器的功能,以作為對各種連接級別的補充說明。
1.5.2連接器分類
這一章裡,連接器將被特殊地看作是固定連接介質而不當作是連接系統來分類。按這種分類方案連接器將有三類最基本的類型即線對線、線對板及板對板。圖1.11所示為三種類型連接器的結構。我們再次強調,這三種類型的連接方式並非截然不同。以下兩個原因可說明這樣的類型交疊狀況。首先,同一種連接器的設計方案只需經過在連接方式上稍作改變後再重新定義,即變成可適用於另一種類型連接方式的新的設計方案;其次,一條線纜在裝配時可於其一端裝上線對線連接器而於另一端裝上線對板連接器,例如:I/O連接器5級產品的外形便是其中最常見的例子。若避開這種連接形式的類別模糊性而不談,該等連接形式正好提供了連接器分類的有效依據。
線對線連接.
線對線連接同樣也包括了線對線纜或者線纜對線纜的形式,其定義特徵是兩根單線個體或者是兩條線纜中的對應導線相互永久性連接。該等永久性連接更多地常見於固定連接中線對線連接以及IDC連接。捲曲連接常見於不連續的線連接器中,IDC因其在與導線相關及線束末端處理上具有優越性而常用於支配線纜連接器,線對線連接器具有各種各樣幾何形狀的塑膠支撐件如直角和圓形聚合形體的塑料件,還有許多不同形體之組合形狀的塑料件及金屬屏蔽殼體,主要在軍事上得以應用。
板對板連接.
前面已提到過兩種類型的板對板連接器,如插圖1.12所示,一種是單片連接器或成為卡緣,另一種是雙片連接器。第一種板對板連接器設置於電路板邊緣故稱卡緣,其發展至最終將會變成雙片連接器,因為印刷電路板技術性能及其尺寸在不斷增長,當板的尺寸增加,其結果將導致連接器的容量增大,從而端子數增多,連接器插拔力增大,電路板印刷電路的容量增大將導致線路密度過大,單片連接器很難滿足其要求,所以,其最終將發展成雙片連接器。
線或線纜對板連接.
在線對板連接中,有一半連接器是與線或線纜相連,也有與印刷電路板相連,與前述線連接一樣,板連接亦是如此,只不過需要壓入或焊接兩片連接器,許多卡緣式的連接器依然在應用,其端子配合界面適合可分離的連接性,線對線連接器也是大同小異,它們均是出自同一家製造廠。線對板連接器還具有很多其他的用途,其發展方向是線纜對板連接器,或是利用前述IDC的優越性進行線纜裝配。
.總結.
這種形式當然不是給連接器分類的唯一方法,但這種方法確實能很好地實現比較各種連接器的目的。每一類型的連接器將在第13章裡作細緻地討論,在這一章裡還將討論一些附加類型的連接器如:同軸連接器、遮蔽連接器、過瀘連接器及可控阻抗連接器等。
1.5.3 連接器的功能應用
隨著連接器應用範圍的不斷擴展,它們可根據其兩大基本功能而分成:信號傳輸及電傳輸兩類。在電子應用領域這兩類連接器的顯著特點在於其端子上一定帶有電流,在其他的應用當中,端子所提供的電壓將同樣作為很重要的考慮對象,雖然同一種端子的設計可同時作為信號和電量傳輸兩種功用,但在多種相類似的接觸方式的應用上來看,許多電傳輸連接器在端子設計時僅僅把電量傳輸的需要作為唯一目的。
.信號傳送.
信號傳送可分為兩類:模擬信號傳送及數位訊號傳送。這種分類是基於很多共同特徵來描述的,在這部分的介紹當中我們對其並不作詳盡的討論,數據信號以及與其相關的連接器將在第12章中討論。
不論模擬或數位訊號連接器,其所需功能主要應能保護所傳送的電壓脈衝信號的完整性,該完整性應包括脈衝信號的波形以及其振幅。數據信號在脈衝頻率上與模擬信號有所區別,其脈衝傳遞速度決定了所保護的脈衝的最大頻率,數據脈衝的傳遞速度比一些典型的模擬信號要快得多,有的脈衝在連接器中的傳遞速度已接近千億分之一秒的範圍,在當今微電子技術領域中,通常把連接器當作一導線看待,因為與增長如此之快的頻率相關的波長能比得上連接器的尺寸。
當連接器或是一互相連絡系統諸如一線纜裝配被運用於高速數據信號傳輸中,相應的對連接器性能的描述也就改變了。代替了電阻的特徵阻抗以及互相連絡系統中的串音變得尤為重要。控制連接器的特徵阻抗成為一大意識潮流,在線纜中便是對串音進行控制。特徵阻抗在連接器中之所以具有如此重要的地位,是因為電阻的幾何外形很難做到完全統一,加之連接器尺寸又很小,必須將串音的可能性最小化。在線纜中,幾何形狀的控制較易實現,其特徵阻抗也易控制,但是線纜的長度將有可能引起潛在的串音。
在連接器中控制特徵阻抗是圍繞這個理由而進行的,在典型的開放式端子區域,連接器阻抗(和串音)是通過控制端子以合理的分布方式而達到的。於此類信號而言,接地比率是這種分布的一種反映,接地比率減少了。當然,這樣的結果就會減少可用於傳送信號的端子數目。與信號端子相關的理由位置是很重要的考慮因素。為了避免接地端子的減少,具有整體的接地平面的連接器系統已經得到了中發展。前文中已經介紹過了微條和條線的幾何形狀。整體的接地平面允許用於傳遞信號端子的使用,且能提高連接器所有傳遞信號的密度。圖1.13展示了一個開放端子區域和接地平面連接器的結構。
.電力應用.
如前所述,在上下文提到的電連接器是必須傳遞電力的。通常其電壓很低。通常用到的是如下兩種電力傳遞方法:(1)專用於高水平的當前電力接觸傳遞(2)和並行多籩信號接觸。它們每一種方法都有優有劣。
電力傳輸與信號傳輸相比有兩點不同之處。第一點,也是最明顯的,是用於傳遞較高電流。信號傳遞的電流通常不超過1安培,最多也不會超過幾安培,而電力傳輸的電流可達到幾十乃至幾百安培。第二點是由於電流導致的焦耳熱而產生的溫度升高。信號接觸過程產生的焦耳熱與周圍的溫度相差不多。相反地,電力傳輸的比率又是基於溫度的升高,溫度的升高,又產生相應的比率電流。一次30度的溫度的升高通常作為一個電流比率的標準。
因此,為滿足電流額定值及性能的穩定性要求,控制焦耳熱是很有必要的,這就需要在設計當中考慮信號傳遞的同時也要考慮電量的傳輸。尤其對電阻大的端子,焦耳熱是一重要因素,必須將其減小到最低程度,而且,接觸面的電阻也必須減小到最低程度,使其產生的熱量最小化。從選材的角度來說,當然是選擇高導電率或是橫截面積較大的端子以減小電阻,另外,增高傳輸電壓或增加接觸面積亦可減小接觸部分的電阻。
圖1.13關於開放端子領域(a圖)和接地平面連接器(b圖)的例子。)
更高的交叉部分、多餘的接觸端子,都暗示提高接觸壓力下連接器的尺寸。也就是說,實際上,有一個限制在貢獻電接觸上,包括接觸媒體和接觸的尺寸。在使用貢獻電接觸上,電力線纜的路徑,線纜大電力接觸的終點及電接觸的尺寸會成為限制因素。
隨著在連接器設計上提倡附加的限制,並行多訊號接觸允許更多傳統的連接器被用來分配電能。這些限制首先直接針對保證通過接觸的電流的分配,同時,它們的熱環境儘可能一致。其中以下三個因素是主要的﹕
1.電路應是平行的電子流;也就是說,如果可能的話,經過所有的接觸電壓降應該是相同的。如果不同的電壓降對用途來說是根本性的,則這些電路將被區別對待。
2.如果可能的話,接觸時的熱效應會被減至最低,尤其指一大束的電流接觸將被避免。
3.接觸的阻抗或是在全部訊號分配裡一起計算的任意偏差必須相同。例如,依靠在接觸時存在的排列方式,在適當角度連接器獨立接觸的巨大阻抗會有差異。在設計分配的接觸時,這些差異應當被考慮。
認識到所有考慮的結果是一個明確的關於接觸的電流的影響能力的討論。降低到50%可能會被意識到。換句話說,為分配100A的訊號到PWB,如以1A的電流接觸速率,那麼合適的接觸應當是接近200A而不是100A,這表明,大量接觸是相當依賴於單位接觸電流速率。
概述
大體上,由於受終點、路線和尺寸考慮的限制,電流分配經由貢獻高電流能力是明顯的。考慮到大範圍接觸和連接器的用途,多數電流分配的訊號接觸的用途需要更多的詳細分析,這些分析關於連接器要求和它們在本體中位置的接觸分配。
1.6 連接器測試
討論到這個程度,也就牽涉到自身在連接器設計及材料、用途的考慮。現在把注意力轉向如何測試性能;也就是說,連接器測試可從兩個方面來評估﹕即做什麼和如何做,為什麼測試。
1.6.1 連接器測試的類型
首先考慮做什麼測試和如何做測試。在本書中的一些敘述中,一項連接器測試包括露天條件和設定條件的操作,由此也將定義這類操作,接下來是測試手段。例如,暴露在腐蝕性環境下的接觸阻抗測試一般被認為是一種環境測試。以上這些牽涉到做什麼和如何做,這表明選擇和如何定義這些條件,測試哪些性能和如何做測試。至少有三類測試和測試手段﹕環境測試、機械性能測試、電氣性能測試。實例見表1.1。
通過介紹測試術語,接下來考慮測試原因。
1.6.2 連接器測試的原因
連接器測試的基本原因是鑑定連接器性能。除設計鑑定測試外,原型或試驗型產品做測試可使連接器設計有充分依據,大部分連接器測試被引入每一個特定或合格測試程序用來鑑定產品性能。對於本次討論目標,特定的或合格測試不同於那種特殊的由連接器生產廠商定義的作為每一個檢測項目的測試。就條件測試而言,它是由消費者、產業界、國家的、國際標準來共同定義每一測試程序。在每個例子裡,測試程序將包括大量測試項目﹕環境測試、機械性能測試、電氣性能測試。測試項目和測試手段及認可的判斷標準都與連接器設計必須滿足的使用或市場要求有關。通常,這種露天條件和測試手段判斷標準是有一些一般代表性,在種意義上覆蓋了一個市場或一個使用範圍而不是針對某一個特殊使用。
當一項特別使用成為測試程序項目時,測試可能被指定為性能鑑定測試。在這樣的一個例子裡,暴露條件常常是更特別的。根據環境和暴露時間
表1.1 連接器測試類型
長度可更適當地反映對條件及特殊使用的需求。這同樣是一個真實的測試手段及認可的判斷標準。這樣的測試是一個介於條件與性能測試的中間環節。
可靠性測試伴隨著一個相似於用在別的合格或性能測試上的測試表。然而有兩個主要區別。首先,可靠性測試要求在暴露測試和操作環境間存在一個比合格測試更嚴格的已知的聯繫,換句話說,測試可靠性必須在測試與使用上有一個加速因素是已知的。這也就是說,暴露在測試A中X天要等同於在使用B中Y年。這種要求通常無法滿足,並限制了做可靠性測試的。第二點不同在重要程度和統計處理上的認可判斷標準。條件測試認可判斷標準,例如暴露條件中阻抗的最大變化是一般性的,所以它們的價值在於,通過廣泛使用,提供可接受的性能。考慮到使用,可靠性認可判斷標準將反映特殊要求,這將在很多案例中明顯超過合格價值。但可靠性認可判斷標準還將被運用去滿足更嚴格的統計要求——在特定的相同尺寸和數據分析——超過那些用在合格測試程序中的要求。
1.7結論
本節敘述的目的是介紹術語,並對於每個將在以下章節所提到的更詳盡的主題討論提供一個上下文背景。