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1、目錄第一章 連接器總述 2第二章 接觸介面及接觸過程 2 0第三章 接觸鍍層 3 2第四章 接觸彈片材料 6 2第五章 連接器用工程熱塑性材料 8 5第六章 可分離式電連接器 102 第七章 永久性連接概述 121 第八章 電線與線纜 125 第九章 電線與線纜的機械式永久連接 138 第十章 印刷電路板 1 5 7第十一章 至電路板的永久性連接 173 第十二章 連接器的應用 187 第十三章 連接器的類型 2 1 3第十四章 連接器插座測試 2 3 42第一章連接器總述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 連接器的應用范圍十分廣泛，本手冊的重點將會放在電連接器上，其主 要應用於C 產品。從這個重點

2、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

3、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范圍從內 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準也將加以描述。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。 本手冊將會在后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 夠后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

4、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4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 左邊的卷曲型連接和位於圖 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

5、：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卷曲型，insulation displacement，壓力型，遮蔽型。 機械式的固定連接的圖解如圖 1.2 所示。卷曲型和 insulation displacement 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。每一種都將會在后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

6、，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99要復雜得多。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復合層，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，然后在鎳的表面上再覆蓋一層貴金 屬。常見的貴

7、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 使用以防止來于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，錫鍍層的厚度介于 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。磨損來源于幾微米到幾十微米的微小滑移。由于在磨損過程中，部分鎳被再次氧化，從而使得鍍層的電阻增加。對于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

8、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。其它兩個作用就要復雜的多，并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，

9、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打印電路板和導柱/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。對于可分離式接 觸界面，接觸彈片彈性的主要功用是提供介于兩插接面的對接力。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制造和卷曲性能對應。例如，用于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 最后一個作用環境遮蔽，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 暴露于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，當試樣插入本體后，腐蝕便停止了。雖然卡邊還有一條卡 邊緣槽，但是，遮蔽效

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