连接器基础知识

连接器基础知识

一、电接触学二、电连接三、连接器四、典型连接器简介一、电接触学电接触学是一门研究电子可靠连接的科学，研究金属与金属之间、金属与气体、液体之间通电后,其接触界面的微观及宏观状态，涉及到机械、电子、材料、物理、化学等多门学科。电接触研究主要在以下几个方面：

a接触表面微观形貌对电接触的影响；b环境因素对接触表面膜层的生成作用机理；c接触表面的金属复盖层的作用；d滑动表面的润滑及润滑材料研究；e

接触表面的微振腐蚀等等。电接触学创始至今只有50年的历史,其创始人是霍姆博士(R.Holm),他毕生从事电接触研究,于1958年发表《电接触手册》,首次系统地阐述了电接触理论,十年后又发表了《电接触理论与应用》,把当时的电子技术引入到电接触研究之中。国际上有影响的组织包括美国霍姆电接触年会,它是美国IEEE下属的一个组织,每年举行一次学术会议。此外1961年成立了国际电接触学会,该学会两年举行一次学术交流会,其学术论文均在IEEE的系列出版物中刊登。

电连接是通过机械结构来实现的电连接,因此保持长期稳定而低的接触电阻(接触正压力稳定,适当大小及镀层,镀层要注意的是:即使特别稳定的贵金属金，由于它的表面能较高，其表面也会形成一层有机气体吸附膜。

).二、电连接

把电接触学应用到电子连接，就是电连接学科，主要涉及以下几个方面: ①接触电阻；(包括表面膜电阻收缩(集中)电阻),另外实际中应注意压接情况下的接触电阻(切记) ②接触表面膜层； ③磨擦与磨损； ④润滑作用机理(这是可以开展应用研究的一个方向)； ⑤弹性零件设计； ⑥接触表面镀层研究；(耐腐蚀,导电性好,能提供稳定的接触电阻,从公司发展角度来讲我们材料实验室和材料技术部,一直在开展的替代镀层的应用研究和推广,

) ⑦微振腐蚀(振幅小于200μ.起因:振动,热冲击,接触材料线膨胀不同,接点附近的电磁力变化,结果产生氧化和磨损腐蚀)。电连接的类型： ①永久连接。如焊接、压接、缠接等； ②半永久连接，如各种连接器，中小功率开关继电器等； ③滑动连接：如电刷/导电环； ④电弧连接，如中、小型继电器、断路器等。接触电阻理论模型示意图

当两个导体对接时，从微观角度讲，其实际的接触面时分布于两个交界面上微小的粗糙点。其微观接触点的数量和位置取决于两个接触面的形状和表面光洁度。实际的总接触面积占接触面的视在面积的千分之一。实际接触面积是接触正压力的正函数。接触压力越大，实际接触面积越大。接触正压力使接触点形成弹性形变和塑性形变，接触点形成接触微表面，支撑外加负荷。同时由于接触点在长期高压力状态下形成形变，导致金属体内电路有效长度和电流路径形成改变，从而形成收缩电阻。从收缩电阻形成的原因可知，影响收缩电阻的主要因素在于接触件材料的体积导电率，表面光滑程度，接触件正压力大小，材料弹性形变、塑性形变能力等。表面光洁度越高，可能形成的接触点越多。正压力越大，可以形成的接触微区面积越大。

小结:从收缩电阻形成的原因可知，影响收缩电阻的主要因素在于接触件材料的体积导电率，表面光滑程度，接触件正压力大小，材料弹性形变、塑性形变能力等。表面光洁度越高，可能形成的接触点越多。正压力越大，可以形成的接触微区面积越大。(从理论讲,其大小与接触区的直径和周长成反比)表面膜电阻(一般认为由接触表面表面膜层和其他污染膜层组成)可以近似认为是两个接触元件之间的一个圆盘的薄膜电阻(一般可通过机械力或电流冲击破坏)1、电连接的层次

互连的层次

根据电子设备内外连接的功能，互连可分为五个层次。

①芯片封装的内部连接

②IC封装引脚与PCB的连接。典型连接器IC插座。③印制电路与导线或印制板的连接。典型连接器为印制电路连接器。

④底板与底板的连接。典型连接器为机柜式连接器。

⑤设备与设备之间的连接。典型产品为圆形连接器。

第③和④层次有某些重迭。在五个层次的连接器中，市场额最高的是第③和第⑤层次的产品，而目前增长最快的是第③层次的产品。应用该科学理论及科研成果所制造的元件如连接器、继电器、开关、键盘、电位器、电刷与导电环、线缆组件等称之为机电元件2、电连接的重要性

在一个通信系统或电力传输系统中，存在着大量的连接环节，任何一个连接处出现故障，都会影响系统的可靠运行。要使电接触可靠并非易事。它与其它电子元件不同，其可靠性不仅取决于其本身的材料、结构与几何尺寸等参数，更由于接触点大多暴露在大气中，大气污染如尘土、腐蚀性气体、湿度、温度，都会直接影响连接可靠性。由于电子结构小型化，连接器的尺寸亦随之减小，外界大气污染，温度影响和电磁干扰都会造成接触不可靠。电接触发生故障相当于在电路系统中介入了一个多变的网络，从而造成误码，这种误码大多无法用电路方法消除。近年研究表明，电接触故障是数字通信电路系统中产生高误码率的重要原因之一，电子设备10%～15％故障来源于电连接由于接触表面有一定粗糙度，真正的接触点非常小，（大多在微米范围内），一旦在该处介入尘土颗粒或腐蚀生成物，用宏观方法是无法观察的，只有借助微观检测手段，常用的如扫描电子显微镜（观察形貌），X射线能谱仪，X射线波谱仪（分析元素成份），光学显微镜（观察形貌）等。因为腐蚀生成物大多绝缘，故接触表面不能用一般金属。常用的大多为贵金属，如金合金（镍或钴）钯合金（镍）等，检验接触表面质量也只能用微观手段，肉眼无法辨别。机电元件（如连接器）的质量比较难鉴别的另一个因素是时延效应。与其它电子元件不同，其它电子元件如集成电路用仪器当场就能鉴别好坏，检验接触点质量却无法当场做到。比如镀金质量，有的金表面微孔甚多，但要出现故障必须经过腐蚀后生成一定的腐蚀物才能造成故障。故鉴别质量有一个时间的滞后效应，这也是人们造成优劣不分的原因。较快的鉴别方法是作适当的加速模拟腐蚀实验，再用微观手段观察和区分。电子连接是一项系统配套工程。在一般情况下，外行人很难看出我国在这方面的落后程度。国内有的生产厂家生产的连接部件，表面上与著名跨国公司生产的部件相差无几，金光灿灿，光亮照人，但做过腐蚀试验后即可看出其质量与可靠性均远达不到国际标准。把国内生产的产品与进口产品放在同等条件下做暴露试验，经过半年至一年后进行测试，结果进口产品的质量大大优于国内产品。机电元件从设计上虽然仍保持一定的传统机械设计方法，但内容却极其复杂，它包括：压力、温度、腐蚀、尘土、绝缘、电磁干扰、微小型结构，高频分布参数影响等一系列问题。从可靠性角度而言，要在恶劣的环境中应用，而又要求价格低廉是很困难的，法国通信公司曾作过估算，在通信系统中，仅连接器、继电器、键盘这三种元件大约占整个通信设备成本的20%-25%。以阿波罗登月飞船为例，该飞船系统大约有一百万个接点，登月成功并保证按期返回地球，表明其接触点是完全可靠的，实际上，美国宇航局NASA为此投入了1亿美元的研究经费。三、连接器1、连接器的基本结构2、连接器的分类3、连接器的基本性能要求4、连接器选用的基本原则1、连接器的基本结构连接器的基本结构件：①接触件②绝缘体③外壳(视品种而定)④附件①接触件接触件是连接器完成电连接功能的核心零件。一般由阳性接触件和阴性接触件组成接触对,通过阴、阳接触件的插合完成电连接。阳性接触件为刚性零件即插针,具备一定的刚性、韧性和强度，相对比较简单。阴性接触件即插孔,是接触对的关键零件,它依靠弹性结构在与插针插合时发生弹性变形而产生弹性力与阳性接触件形成紧密接触,完成连接(麻花针除外)。

阳性接触件为刚性零件，一般称作插针，其形状为圆柱形（圆插针）、方柱形（方插针）或扁平形（插片）。阳性接触件一般由黄铜、磷青铜制成，为提高其导电性能，经常进行表面镀金、镀银处理，对于微矩形连接器，目前已经出现麻花插针等具有弹性的阳性接触件。

阴性接触件即插孔，是接触对的关键零件，它依靠弹性结构在与插针插合时发生弹性变形而产生弹性力与阳性接触件形成紧密接触，完成连接。插孔的结构种类很多，有圆筒型（劈槽、缩口）、音叉型、悬臂梁型（纵向开槽）、折迭型（纵向开槽，9字形）、盒形（方插孔）以及双曲面线簧插孔等。为了同弹性插针配合，目前存在刚性插孔器件，但应用领域相对单一(对应麻花插针)。插针插入线簧孔的状态在工作状态下线簧插孔具有最大的接触面积

线簧插孔与开口插孔主要性能对比开槽套管组合式插孔结构该类型插孔是目前比较通用的一种插孔，其结构主要有套管和开槽孔组成，结构较简单。但其关键是要解决GJB所要求的限制性插针插入问题，以保护插孔不被破坏和过变形，以提高接触件的接触可靠性。冠带插孔结构图多用于大功率情况下绞线（麻花）插针接触件圆筒形接触件中实心插针直径为Ф1.0mm和配合的弹性插孔这样小的接触件，还较容易制造，但是插针直径小于Ф0.5mm以下的接触件并采用理想的电导合金时，就有点发脆，与这样小的插针相配的弹性插孔在可靠性方面也存在大量问题，而绞线插针就解决此问题。该插针与线簧孔刚好向反，它插针为柔性的。它的结构是在三股芯缆铜线外包着七股铍铜线构成的弹性线缆做成一段缆束，再压接在套筒上，最后鼓腰而形成绞线插针。配合插孔为刚性圆筒。该接触件易实现高密度，最小间距为1.27×1.27。实物图麻花针的外形图针孔示意图

线簧孔与麻花针比较:线簧孔可靠性更高,但小型化困难些.线簧孔2元多,麻花针1元多工艺上:线簧孔在前后套上绞线对模具要求很高,易断线成品率低于麻花针,麻花针主要是焊线和镦粗,但难度相对小些.鉴于成本原因,公司有可能会将线簧孔改为音叉结构.②绝缘体

绝缘体也常称为基座或安装板，它的作用是使接触件按所需要的位置和间距排列,并保证接触件之间和接触件与外壳之间的绝缘性能。要求有良好的绝缘电阻、耐电压性能以及易加工性。③壳体

也称外壳,是连接器的外罩,为内装的绝缘安装板和插针提供机械保护,并提供插头和插座插合时的对准,进而将连接器固定到设备上。外壳还有接地屏蔽功能。有许多连接器不需要单独的外壳,如印制电路连接器和某些矩形连接器。④附件附件分结构附件和安装附件。结构附件如卡圈、定位键、定位销、导向销、联接环、电缆夹、密封圈、密封垫等。安装附件如螺钉、螺母、螺杆、弹簧圈等。附件大都有标准件和通用件。2、连接器的分类

按照国际电工委员会（IEC）的分类，连接器属于电子设备用机电元件，其规格层次为：

门类（family）例：连接器

分门类（sub-family）例：圆形连接器

类型（type）例：YB型圆形连接器

品种（style）例：YB3470

规格（variant）通常按使用场合分类电缆连接器——此类连接器可使装了电缆的连接器与机箱上的连接器、穿墙式连接器或另一个装了电缆的连接器相插合。机柜连接器——此类连接器一般用于抽屉式机柜、插入式组件及其他一些难于进行连接器插合操作的应用场合。印制电路连接器——这类连接器用于印制电路板与电缆、机架或底板的互连。同轴连接器一一在射频和音频电路中,如要保持稳定的、预定的阻抗和电容,或需要屏蔽外界的电气干扰,就必须用同轴连接器来互连。3、连接器的基本性能要求连接器的基本性能可分为三大类：1)机械性能2)电气性能3)环境性能

1）机械性能插拔力分为插入力和拔出力（拔出力亦称分离力），两者的要求是不同的。在有关标准中有最大插入力和最小分离力规定，这表明，从使用角度来看，插入力要小（从而有低插入力和无插入力的结构），而分离力若太小，则会影响接触的可靠性。(所以从标准来看插入力是不大于,分离力是不小于,公司用的连接器除车制圆形针孔外,一般插拔力通过零件生产时模具保证,车制件是在装配过程的工艺保证.)机械寿命。机械寿命实际上是一种耐久性指标，在国标GB5095中把它叫作机械操作。它是以一次插入和一次拔出为一个循环，以在规定的插拔循环后连接器能否正常完成其连接功能（如接触电阻值）作为评判依据(不完全,但大部分标准是只通过机械插拔来表徵寿命)。高温寿命接触件的保持性绝缘板安装的固定性

2）电气性能

①接触电阻高质量的电连接器应当具有低而稳定的接触电阻,所测的接触电阻由三部分组成:1)集中电阻

电流通过实际接触面时，由于电流线收缩（或称集中）显示出来的电阻。将其称为集中电阻或收缩电阻。

2)膜层电阻

由于接触表面膜层及其他污染物所构成的膜层电阻。从接触表面状态分析；表面污染膜可分为较坚实的薄膜层和较松散的杂质污染层。故确切地说，也可把膜层电阻称为界面电阻。

3)导体电阻

实际测量电连接器接触件的接触电阻时，都是在接点引出端进行的，故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的导体电阻。。连接器的接触电阻从几毫欧到数十毫欧不等。(测量方法常见有二种:低电平和额定电流)

②额定电压连接器长期正常工作的标称电压

③额定电流连接器长期正常工作的标称电流

④绝缘电阻衡量电连接器接触件之间和接触件与外壳之间绝缘性能的指标，其数量级为数百兆欧至数千兆欧不等。

⑤抗电强度或称耐电压、介质耐压，是表征连接器接触件之间或接触件与外壳之间耐受额定试验电压的能力.(直流高压要注意纹波)

⑥其它电气性能电磁干扰泄漏衰减是评价连接器的电磁干扰屏蔽效果，一般在100MHz~10GHz频率范围内测试。

对射频同轴连接器而言，还有特性阻抗、插入损耗、反射系数、电压驻波比等电气指标。

由于数字技术的发展，为了连接和传输高速数字脉冲信号，出现了一类新型的连接器即高速信号连接器，相应地，在电气性能方面，除特性阻抗外，还出现了一些新的电气指标，如速率特性、串扰，传输延迟、时滞等。接触电阻的”非线性”现象用电压-电流法测量具有一定接触压力清洁接触件的接触电阻时,一般对系统的电路几乎没有影响,但在实际使用中,升高或降低(电压)电流时,或者形成阻挡层时,接触电阻产生不稳定现象,呈现非线性变化,不符合欧姆定律,参见下图.

3）环境性能①耐温目前连接器的最高工作温度为200℃（少数高温特种连接器除外），最低温度为-65℃。由于连接器工作时，电流在接触点处产生热量，导致温升，因此一般认为工作温度应等于环境温度与接点温升之和。在某些规范中，明确规定了连接器在额定工作电流下容许的最高温升。②耐湿潮气的侵入会影响连接器绝缘性能，并锈蚀金属零件。恒定湿热试验条件为相对湿度90%~95%（依据产品规范，可达98%）、温度+40±20℃，试验时间按产品规定，最少为96小时。交变湿热试验则更严苛。(混合气体:SO2＋H2S等和多硫化铵)③耐盐雾连接器在含有潮气和盐分的环境中工作时，其金属结构件、接触件表面处理层有可能产生电化腐蚀，影响连接器的物理和电气性能。为了评价电连接器耐受这种环境的能力，规定了盐雾试验。它是将连接器悬挂在温度受控的试验箱内，用规定浓度的氯化钠溶液用压缩空气喷出，形成盐雾大气，其暴露时间由产品规范规定，至少为48小时。目前供应商方法不规范④耐振动和冲击耐振动和冲击是电连接器的重要性能，在特殊的应用环境中如航空和航天、铁路和公路运输中尤为重要，它是检验电连接器机械结构的坚固性和电接触可靠性的重要指标。在有关的试验方法中都有明确的规定。

冲击试验中应规定峰值加速度、持续时间和冲击脉冲波形，以及电气连续性中断的时间。(高频冲击)⑤其它环境性能根据使用要求，电连接器的其它环境性能还有密封性（空气泄漏、液体压力）、液体浸渍（对特定液体的耐恶习化能力）、低气压等6.磁影响(弱磁材料)7声噪(165db)8.真空释气9.油雾试验(实验难以外协,上柴厂和杭汽发,无锡油嘴油泵)10.气氛腐蚀(常温情况,如Cd和Zn镀层)11淋雨和沙尘4、连接器选用的基本原则以下准则必须考虑:A待连接的对象和需求B连接方法C最大电流、最大电压、工作温度、插拔次数、接触电阻、冲击和振动方位、定位能力D使用中的湿度和其它环境条件、尺寸和重量限制、接触件数、所希望的装配速度

1)通用选用原则1接触电阻在设计过程中确定允许的接触电阻，切勿遗忘最长线路中连接部分的总数2插合力和分离力连接器的插合力和分离力要求10磅时，可用手动操作方便的插合和分离。当需要更大的插拔力时，则要求机械助力。3插合和分离的频度如用于插拔次数很少的场合，则可选用廉价的、接触力大的连接器。4电流额定值电流额定值不仅影响接触件的形式和尺寸，同时实际电路中预期出现的最小电流也能影响镀层的选择5产品的预期寿命设计过程中或产品完成以后应注意不要忘记规定产品寿命期。6工作温度工作温度将决定连接器的金属件和塑料件材料的选择。7湿度条件腐蚀现象（特别是电化学腐蚀）会因潮湿而加剧，绝缘体吸收潮气后将会使电气特性改变。8安装方法您是否准备用铆钉，螺钉，摩擦装置或插头把连接器安装于面板上？或者它们是否必须采用自安装（弹性滑入）方式？9维修要求维修要求能影响端接方法，安装方式以及容许的插合力等等10接触件数目及间距接触件数目会影响插拔力的大小，其间距则影响连接器的生产效率。11储存条件要考虑仓库条件或非工作环境是否与工作条件相同？同时也必须考虑运输方法和条件12接触件间电容接触件的间距、材料和结构受此参数的影响13端接技术用户的制造设备采用的端接技术能否有效工作的能力可能关系到产品的成败。这一点采用高密度连接和新技术时尤其如此。14定位要求在插合前，是否要求用机械定位使连接装置定向15定位键配置要求为防止同类连接器误插合，有时可能需要设计多个键16色码和电路标志在某些情况下，可能需要色码和电路标志来替代（或公用）键和定位。17大气压力在高空，低气压引起的塑料气体挥发将使密封室受到污染。电压击穿可能成为一个限制因素。18大气污染大气中存在的各种主要污染成分将决定对金属材料、塑料和镀层材料的要求。19预计的存储期过长的储存时间会使某些金属表面形成薄膜，某些塑料绝缘件也可能出现性能劣化。当然，储存条件如何也是一个因素。20冲击及震动条件预期的冲击或震动的平面和大小将影响连接器的结构设计。出现共振震动的零件能引起电接触不良。21所需的各项认证（UL，MIL，CSA）等这样能采用全新的一整套技术规范，应检查元件规范与已完成的产品规范之间是否存在矛盾22导线应考虑导线的线规号（AWG）或直径，股数，材料和绝缘层直径，绝缘类型是什么？23计划用途所有连接器是否要求同时供货，还是可以按期分批供货？这样可避免“仓促行事”的弊端，做到心中有数。24最高电压最高直流电压和交流电压有效值决定连接器接触件的间距和绝缘类型的选择。25制造方法为了承受你的生产工艺，有时可能需要将连接器设计成大负载或采用特殊的结构。2)机柜连接器选用1密封应考虑连接器所需的是防环境密封还是气密密封？是否还必须有电缆与连接器之间的密封？2插合力在有些高密度连接器中，插合力极大，此时，面板可能要求用支持结构加固。3插合条件在困难条件（气候寒冷，操作区窄小等等）下的手动插拔需要作特殊考虑。4安装位置除考虑电缆可能使连接器受到大负荷的问题外，还应考虑到有些安装位置特别容易使连接器受潮或落入异物，这就需要采取特殊的密封结构。5安装结构的公差在一些机柜连结器的“盲插合”应用场合，安装结构件的公差可能会与连结器本身的公差复合在一起，引起误插合。6保持机构安装位置和插合条件将有助于下列保持机构的选择，即到底用锁紧凸轮，钢珠制动，弹簧锁紧机构还是用锁紧螺杆？3）印制电路板连接器选用

1电路板的公差（厚度，翘曲等）关于这一问题，边缘连接器比两件式连接器更重要2印制电路焊盘，镀层（为数不多）和基层材料对于电路，这是一个必须考虑的重要问题，它也影响某些类型的腐蚀。3电路板与电路板之间的间距要考虑所提出的电路板与电路板之间的间距是否能与程序控制的布线要求和所用的连接器宽度兼容。4电路板的导向件在不方便部位安装的电路板容易使连接器受损，安装位置高于操作者的视线或低于操作者腰部，则要求电路板导向件，有些连接器必须沿直线方向拔出，而有些则可能要“剥”离。4）射频连接器选用1阻抗一般说来，所用的电路将决定所需连接器的阻抗，同时该阻抗必须与电缆的阻抗相匹配2电压驻波比容许的电压驻波比往往决定连接器的类型或接触件类型。3电缆类型只有很少几种类型的同轴电缆连接器可用于指定的RG型号电缆。4电缆制造厂商虽然对于某一种RG型电缆而言，诸厂商的产品电气性能和几何尺寸近乎相同，但是由于制造工艺的差异，有的厂商提供的电缆却难于与其他厂商的电缆互相连接。四、典型连接器简介射频连接器欧式连接器2mm连接器IC插座带状电缆连接器D型连接器电话（网口）连接器标准间接连接器功率连接器接线排、接线柱

1、射频连接器

射频同轴连接器与射频同轴电缆配套使用，实现通讯电子设备内部部件之间及设备整机之间高频回路的连接。产品系列符合GB11313-11316、MIL-C-39012标准。标准仅规定产品的头部配合尺寸、各项电性能参数和机械性能参数。每一产品详细的结构形式、主要尺寸、使用环境、各项电性能和机械性能参数、特殊技术要求等，都按相应产品标准规定。通讯用高频同轴连接器一般有BNC、N、TNC、SMA、SMB、7/16、F基本上可满足使用。Q9、L16、L6、L12、C4X等是国内产品系列，现已废止。安装部分为面板安装、PCB板安装；整体分为直式、弯式2、欧式连接器

欧式连接器，两件式组合应用，主要用于通讯电子设备内部，PCB板和板之间的连接。符合DIN41612、IEC603-2和MIL-C-55302标准，按结构和接触对排列形式的不同分为不同的类型。接触件均为2.54mm网格排列，安装板导向、定位，具有共同的安装特征。按接触件形式分为插针、插孔；按接触对数不同分为32芯、48芯、64芯、96芯；按整体形式分为直式、弯式；按端接形式分为焊接、绕接、压接。接触件引脚长度有不同的种类，可以任意选择。欧式连接器可以混装高频同轴和大电流接触件，同时传输高频信号和功率。3、2mm连接器2mm连接器是欧式连接器的发展，主要用于通讯电子设备内部，PCB板和板之间的连接。有两个大的系列，符合IEC61076-4-104、IEC61076-4-101标准，IEC61076-4-104（第一代）主要单元4X6、5X6。IEC61076-4-101(第二代）主要单元是A、B、C、L、M、N系列，用于通讯设备的基本单元插箱中单板（PCB）、背板（PCB）的连接，背板（PC