連接器手冊(cè)(中文版)

手fl9

目錄

第一章連接器總述2

第二章接觸接口及接觸過程20

第三章接觸鍍層32

第四章接觸彈片材料62

第五章連接器用工程熱塑性材料85

第八早可分離式電連接器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(jī)械式永久連接138

第十章印刷電路板157

第十一章至電路板的永久性連接173

第十二章連接器的應(yīng)用187

第十三章連接器的類型213

第十四章連接器/插座測(cè)試234

第一章連接器總述

這一章包括連接器技術(shù)的總述，在后面的章節(jié)之中將會(huì)提供各獨(dú)立主題的詳細(xì)背景數(shù)

據(jù)。

定義一個(gè)連接器至少有兩種方法：從功能上和從結(jié)構(gòu)上。

第一種描述連接器的方法是就其應(yīng)該達(dá)到和必須達(dá)到的要求而言的。這樣的定義集中

在連接器所應(yīng)用的功能性和操作的環(huán)境。第二種描述連接器的方法集中在連接器本身，及

它的設(shè)計(jì)方法和制造材料。由于連接器的應(yīng)用、操作環(huán)境及功能性要求直接影響連接器的

設(shè)計(jì)，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(yīng)用范圍十分廣泛，本手冊(cè)的重點(diǎn)將會(huì)放在電連接器上，其主要應(yīng)用于3c

產(chǎn)品。從這個(gè)重點(diǎn)可以提出電連接器的功能性定義是：

電連接器是一種電機(jī)系統(tǒng)，其可提供可分離的界面用以連接兩個(gè)次電子系統(tǒng)，并且對(duì)

于系統(tǒng)的運(yùn)作不會(huì)產(chǎn)生不可接受的作用。

定義中關(guān)鍵詞是''電機(jī)系統(tǒng)“，“可分離的”和''不可接受的作用

連接器是一種電機(jī)系統(tǒng)是因?yàn)?，它是通過機(jī)械方法產(chǎn)生的電性連接。如將要討論至IJ的,

機(jī)械式彈簧的偏向會(huì)在配合的兩部分間產(chǎn)生一個(gè)力量，這就使得接口配合面之間產(chǎn)生金屬

性接觸。應(yīng)用連接器在首要地方的原因是配合接口具有可分離性?？煞蛛x性的需要性具有

很多的原因。它可以使得獨(dú)立地制造部份或子系統(tǒng)而最后裝配可在一個(gè)主要的地方進(jìn)行。

可分離性也可以使得零件或子系統(tǒng)的維護(hù)或升級(jí)不必修改整體個(gè)系統(tǒng)?？煞蛛x性得以應(yīng)用

的另一個(gè)原因是可攜帶性和支持外圍設(shè)備的擴(kuò)展。

另?方面，定義中的可分離性引入了一個(gè)額外的子系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)間的信號(hào)退化，或者是通過連接器的電源損失，以毫伏損失計(jì)算的電

源損失，將會(huì)成為功能性的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此主機(jī)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(yīng)用而定?？煞蛛x性包括配合周

期的數(shù)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(nèi)部連接器的幾十個(gè)周期到外圍設(shè)備的幾千

個(gè)周期，比如PCMCIA型連接器。由于電路或功能的數(shù)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(dǎo)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(shù)從幾十

到上千不等?？煞蛛x性和配合力量需求將會(huì)詳細(xì)地在151部分中論述，同時(shí)歸類連接器

的互相連接的技術(shù)水準(zhǔn)也將加以描述。

現(xiàn)在我們將要考慮的轉(zhuǎn)向第二種定義連接器的方法-結(jié)構(gòu)性的或者說設(shè)計(jì)/材料上的定

義。

1.2連接器結(jié)構(gòu)

一個(gè)基本的連接器包括四個(gè)部分：

?接觸界面

?接觸涂層

?接觸彈性組件

?連接器塑料本體

上述組件已列在圖表1.1中。

本手冊(cè)將會(huì)在后面的章節(jié)中詳細(xì)介紹上述組件中的每一件，既要從材料上又要從設(shè)計(jì)

上介紹。從這個(gè)意義上，一個(gè)概要的各個(gè)組件介紹將能提供足夠后述討論的上下文背景。

圖1』為簡(jiǎn)要的連接器相交剖視圖，插圖（A）為接觸涂層示意圖，插圖（B）為接觸界面

微觀結(jié)構(gòu)圖。

1.2.1接觸界面

事實(shí)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?？煞蛛x

界面（圖1］，插圖A）由于在首要的地方使用連接器而已經(jīng)被明確的提到。固定（永久性）

界面是當(dāng)兩個(gè)子系統(tǒng)相連接時(shí)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?yàn)椋话阏f來它們只制造一次而固定使用。固定連接的例子包括位于圖1.1左

邊的卷曲型連接和位于圖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(diǎn)，包括結(jié)構(gòu)上和需求上的，它們?cè)诨窘M件上具有共同之處.在兩種情況下，產(chǎn)生

和維護(hù)金屬接觸界面需要達(dá)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(chǎn)生是通過機(jī)械方法。

可分離界面是在每次連接器配合時(shí)建立的。界面的結(jié)構(gòu)主要是由接觸端的幾何形狀、

端子之間的作用力以及接觸涂層而定。如圖L1中插圖B所示，可分離界面包括有微小的

連接部，位于微觀下的粗糙表面在常力的接觸之下?？煞蛛x界面形態(tài)學(xué)將會(huì)在第二章中加

以詳細(xì)描述?從這個(gè)意義上講，足以陳述接觸界面的形態(tài)學(xué)將決定三個(gè)重要的連接器功能

性參數(shù)：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(huì)退化）。

很多固定式連接分屬于兩種基本類別：治金式和機(jī)械式。治金式如焊接，它要由連接

器和子系統(tǒng)之間接觸界面的結(jié)構(gòu)而定。低溫焊接是主要的治金式連接，高溫焊接同樣也被

應(yīng)用，并且在較小的線纜中應(yīng)用得越來越多。低溫焊接連接在制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(shù)：穿孔焊接和表面焊接將會(huì)在1.4.2部分和第11章中介紹。

機(jī)械式的固定連接有卷曲型，insulationdisplacement?壓力型，遮蔽型。機(jī)械式的固

定連接的圖解如圖1.2所示。卷曲型和insulationdisplacement型連接主要用在線纜上，壓力

型連接主要用于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(huì)在后面的章節(jié)中詳細(xì)介紹。

1.2.2接觸涂層

接觸涂層如圖1.1中插圖A所示，顯示了兩個(gè)重要的功能：

.避免接觸彈簧基部金屬腐蝕

?優(yōu)化接觸界面的結(jié)構(gòu)

第一個(gè)功能非常簡(jiǎn)單僅僅需要接觸彈簧組件一般為銅合金，完全被涂層覆蓋，并且涂

層自身能防腐蝕和能像薄膜一樣覆蓋在表面。而第二個(gè)功能就要復(fù)雜得多。

優(yōu)化接觸界面的方法,其實(shí)質(zhì)就是對(duì)出現(xiàn)在接觸界面上的薄膜的規(guī)劃管理。如前所述,

一個(gè)穩(wěn)定且較小的接觸阻力由一不含薄膜的金屬界面產(chǎn)生。兩種主要的接觸涂層，貴重金

屬（金，把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(duì)貴重金屬（尤其是金）來說，接觸涂層是惰性的，維護(hù)接觸界面的完整性

需要保護(hù)防止外部涂層的薄膜形成，主要是防止銅的接觸彈簧。對(duì)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和性能上。接觸涂層的性質(zhì)和選擇的標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)在第3章中加以討論。我們?cè)?/p>

經(jīng)考慮過可分離式和固定式接觸界面。事實(shí)上一些不同的涂層被用于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(guān)。最普通的雙向接觸電鍍包括一個(gè)金-銀合金可分

離式界面和鍍錫固定式界面。

貴金屬鍍層.貴金屬鍍層實(shí)際上是一個(gè)復(fù)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鍥，然后在鍥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(xiàn)在也有用鈕或者鋁合金代替純金的，而且這種做法還在呈上升趨勢(shì)。在許多

情況下，鋁或鋁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微米厚的鍥層上覆蓋0.4至0.8微米厚的貴金屬層。在

把或把合金表面的純金層只有0.1微米厚。下面兩種杷合金最常用：80%的把與20%的銀

和60%的杷與40%的銀。

銀底層在幾個(gè)方面提高了接觸性能。這幾點(diǎn)將在第三章進(jìn)行詳細(xì)說明，下面僅列出來

供參考。

減少孔隙腐蝕

提供轉(zhuǎn)移腐蝕對(duì)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(xiàn)在越來越多地用錫作鍍層，因?yàn)?，即使錫被氧化，在插拔過程中，錫氧化物也會(huì)很輕易

地脫落，從而不影響導(dǎo)電性能。然而，表面層再氧化會(huì)以磨損的方式降低錫接合面的機(jī)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，部分銀被再次氧化,

從而使得鍍層的電阻增加。對(duì)于用錫作為鍍層的連接器來說，預(yù)防磨損是最重要的工作。

較大的接觸壓力和使用合適的潤(rùn)滑濟(jì)是兩種能有效地降低磨損的途徑。這一點(diǎn)將在第三章

詳述。其它的普通金屬鍍層，包括銀和銀，也將在第三章詳述。

總之，對(duì)貴金屬鍍層來說，保護(hù)貴金屬層是首要目的；對(duì)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(shè)計(jì)參數(shù)。例如，正常壓力大小、接

觸處幾何形狀、絕緣本體設(shè)計(jì)以及諸如插拔力和耐久性等的結(jié)構(gòu)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(gè)作用:

在組件之間提供一條導(dǎo)通電訊的路徑

產(chǎn)生形成并維持接觸彈片接觸面的壓力

形成穩(wěn)固的接觸

第一個(gè)作用，只要使用常用的銅或者銅合金材料就可輕易達(dá)到令人滿意的效果。銅合

金的導(dǎo)電率雖然不是很低，只有銅導(dǎo)電率的10%到30%,但是，對(duì)大多數(shù)連接器來說，這

個(gè)導(dǎo)電率已經(jīng)足夠了。然而材料的導(dǎo)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?yàn)?，在這種連接器中，由爾熱和微電壓降引起的規(guī)定溫升要求更低的

阻抗。

其它兩個(gè)作用就要復(fù)雜的多，并且涉及到材料特性和設(shè)計(jì)參數(shù)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(chǎn)生彈性變形，從而產(chǎn)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(dǎo)柱/端子插頭

的兒何外形。導(dǎo)柱與端子的外形不一樣，導(dǎo)柱是方的，而端子是圓的。圖1.4顯示了兒種

連接器的設(shè)計(jì)，所有這些都要與接觸彈片對(duì)接。事實(shí)上，所有的這些設(shè)計(jì)都顯示了尤其與

一種稱為25方的接觸彈片對(duì)接，該接觸彈片呈正方形，邊長(zhǎng)為0.025英寸。

我們必須綜合考慮材料的各種性能，并力求達(dá)到均衡。對(duì)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(duì)接力。材料特性指楊氏模數(shù)和屈服極限。

這些性質(zhì)嚴(yán)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?yàn)樗山档筒?/p>

拔力。然而彈性強(qiáng)度必須與制造和卷曲性能對(duì)應(yīng)。例如，用于提供在對(duì)接面產(chǎn)生彈性對(duì)接

力的機(jī)械強(qiáng)度（用屈服極限來衡量）是與成型性能和鍛造性能相互對(duì)立的。以下各章將陸續(xù)

對(duì)此進(jìn)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(dǎo)通

固定各接觸彈片

對(duì)各接觸彈片進(jìn)行機(jī)械保護(hù)

對(duì)各接觸彈片進(jìn)行工作環(huán)境遮蔽保護(hù)

最后一個(gè)作用一環(huán)境遮蔽，與連接器本體的設(shè)計(jì)有關(guān)，尤其與連接器本體的封閉程度

有關(guān)。這種遮蔽效果在惡劣的環(huán)境中顯得尤其重要。圖1.5顯示了一個(gè)有關(guān)環(huán)境遮蔽的直

觀例子。該圖顯示的試件是鍍銀的，并且是在被暴露于模擬工業(yè)環(huán)境的情況下插到圖示的

連接器的卡邊。環(huán)境中的硫腐蝕了金屬外表。然而，當(dāng)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，遮蔽效果還是相當(dāng)理想的。更為重要的是，這種影響

可以從暴露于這種環(huán)境的連接器的接觸彈片阻值變化看出來。

圖1.6顯示了仿真工業(yè)環(huán)境和暴露時(shí)間對(duì)接觸彈片阻值的影響。實(shí)驗(yàn)環(huán)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(shù)據(jù)對(duì)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(huán)境的性能。在暴露了數(shù)十小時(shí)后，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(yè)環(huán)境中可以使用10年。這些數(shù)據(jù)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(guān)。電子特性包括電

阻系數(shù)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(jī)械性能包

括彎曲強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，因?yàn)檫@些性能影響接觸彈片在本體上的牢固程度。與溫度有關(guān)的

特性包括連續(xù)使用和加熱使聚合體變形的溫度值。使用溫度和設(shè)計(jì)溫度是相互關(guān)聯(lián)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(xué)和溫度對(duì)絕緣本體尺寸穩(wěn)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(duì)連接器的裝配性能和插接性能都是很關(guān)鍵的。這些特性，

除了與聚合體的基本特性有關(guān)外，還與成型過程有關(guān)。接觸彈片具有材料單一而設(shè)計(jì)式樣

千變?nèi)f化的特點(diǎn)，而絕緣本體卻具有與之相反的特點(diǎn)。絕緣本體的設(shè)計(jì)一般都具有許多相

同的特征和要求，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(yīng)使用環(huán)境，而且還要和裝配相對(duì)應(yīng)。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(shè)計(jì)內(nèi)容將在第五章進(jìn)行討論。

1.2.5連接器結(jié)構(gòu)的歸納

本節(jié)將對(duì)連接器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的回顧，其目的是提供一些以后將討論的有關(guān)連接器材

料和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等的內(nèi)容。前面已提及的一些參數(shù)，例如：插拔力、孔數(shù)以及絕緣性能等，

將在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行討論。然而，在結(jié)束本節(jié)之前，還要談?wù)勥B接器的又一個(gè)重要性能。

1.3電連接器阻抗

圖1.7除了側(cè)重點(diǎn)不一樣外基本相似，圖1.7突出裝入系統(tǒng)內(nèi)連接器組件的電阻。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(cè)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(jí)，可

根據(jù)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(duì)典型信號(hào)端子而言，接觸彈片電阻占總電阻的絕大部分。與此相反，固定連接電

阻可從兒十到兒百微歐?？煞蛛x接觸面電阻，在100克力作用下，為微歐級(jí)。故該電阻只

占總電阻的很小部分。但是后二者的重要性在于，它們的電阻是可變的。當(dāng)電連接器電阻

變化時(shí)，可能是因?yàn)橐粋€(gè)或二個(gè)可分離接觸面電阻的增加。這就是電連接器設(shè)計(jì)/原料的

標(biāo)準(zhǔn)圍繞為確保這些接觸穩(wěn)定而變化的原因。

1.4固定連接介質(zhì)

前面已經(jīng)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(dǎo)線或線纜與（b）印制電路板（PWBS）o

141線與線纜

本節(jié)將對(duì)導(dǎo)線和線纜作簡(jiǎn)要概述，而在第八章作詳細(xì)討論。導(dǎo)線由一個(gè)導(dǎo)體或，如果

有的話，若干導(dǎo)體及其絕緣體組成。

絕緣體有兩個(gè)功能：它使電導(dǎo)體絕緣并保護(hù)其不受機(jī)械損傷。哪種功能更為重要一些,

依靠導(dǎo)線所用何處，根據(jù)導(dǎo)線的運(yùn)用（尤其是導(dǎo)線上將要承受的溫度和電壓）和運(yùn)用環(huán)境

的機(jī)械強(qiáng)度來決定。聚氯乙烯（PVC）,聚乙烯，以及聚丙烯是其中為通常運(yùn)用目的而采

用的最普通的絕緣材料?，硅樹脂橡膠和其它的抗磨性聚合體在有機(jī)械環(huán)境要求時(shí)常用作被

覆材料。

銅是最普通的導(dǎo)電材料，不管其是否鍍錫或鍍銀。選擇電鍍是基于它的運(yùn)用，錫是通

常運(yùn)用的電鍍金屬而在高頻率運(yùn)用中則要求鍍銀。導(dǎo)線通常可分為兩種：實(shí)心與多芯。實(shí)

心導(dǎo)線由單一導(dǎo)體構(gòu)成，而多芯導(dǎo)線由若干導(dǎo)體構(gòu)成。多芯導(dǎo)線在芯線數(shù)及其位置或纏繞

方式上有所不同，實(shí)心導(dǎo)線在導(dǎo)電能力上較有利，但多芯導(dǎo)線對(duì)振蕩有重要的適應(yīng)性及抵

抗性。

線纜存在于各種各樣的構(gòu)造中，以滿足一定運(yùn)用范圍的需要，其與單純導(dǎo)線倍加在一

有被覆的導(dǎo)線不同，可提供機(jī)械保護(hù)，同時(shí)可減少為確保在高頻傳輸中隔離防護(hù)處理的必

要性電阻。

導(dǎo)線/線纜結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械固定式連接最重要的影響是：?jiǎn)喂?多股電連接器的不同及導(dǎo)線

/線纜結(jié)束制程去除或處理屏蔽層或絕緣體的必要性。

1.4.2印制電路板

PWB技術(shù)已經(jīng)從50層單面板發(fā)展到帶接地平面的復(fù)合式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)板與可控阻抗

網(wǎng)絡(luò)板。PWB制造工藝及運(yùn)用要求將在第十章討論。本節(jié)僅討論有關(guān)固定連接本身。

運(yùn)用在PWB上比較成熟的機(jī)械連接技術(shù)為壓印，及更優(yōu)的適應(yīng)性壓印連接。在該技

術(shù)中與壓印相關(guān)的端子腳插入PWB中的通孔。其連接的穩(wěn)定性依賴于插入時(shí)形成的相應(yīng)

完全接觸面殘余的彈性力。PWB通孔電鍍材料采用銅或錫/銅合金。

在PWB應(yīng)用程序中比較流行的治金技術(shù)是焊接。有兩種焊接方式常被運(yùn)用，穿孔技

術(shù)(THT)與表面粘貼技術(shù)(SMT)o穿孔技術(shù)(THT)利用穿孔及波峰焊程序。而表面粘

接技術(shù)(SMT)更依賴于表面襯墊，或平臺(tái)，及不同的焊接過程。與通過波峰焊的THT

技術(shù)相對(duì)的是，表面粘接技術(shù)(SMT)是一個(gè)回流過程，在該程序前必須先通過大量技術(shù)

處理貼好焊劑。SMT程序包括波峰，汽洗，紅外加熱，對(duì)流，及這些程序的組合。SMT

因?yàn)榱悴考母呙芏扰cPWB所含功能其應(yīng)用迅速提高。SMT允許減小平臺(tái)間隔以提高零

部件密度，同時(shí)通過消減穿孔數(shù)目提高板的配線路徑。

與可分連接的兩個(gè)例子一樣，圖1.9提供了兒種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(yùn)用將在第十三章討論。

1.4.3小結(jié)

關(guān)于電連接器的材料/設(shè)計(jì)及連接媒體的討論已經(jīng)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(duì)電連接器作簡(jiǎn)要的說明。

1.5電連接器應(yīng)用

電連接器的運(yùn)用可以從兩方面來考慮：電連接器用在何處，例如它裝在設(shè)備上的位

置，以及如何運(yùn)用，例如電連接器的功能是信號(hào)傳輸還是配電，其中電連接器用在何處應(yīng)

優(yōu)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(jù)電連接器的連接層次（LOI）-許多描述采用

這種方式，而本手冊(cè)通常采用Granitz所述方法。LOI是指兩個(gè)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1

?10說明了與電子底板連接的連接層次。

第，級(jí)?第1級(jí)連接是芯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(dǎo)線粘接及各種不同的焊接技術(shù)基本上屬于第1級(jí)連接，這些連接方式大多傾向于固定連

接。

第2綾?第2級(jí)連接是外殼與印制電路板（PWB）的連接。DIP與PGA插座是第2

級(jí)連接的兩個(gè)基本例子。然多芯片模塊（MCMS）使該定義有點(diǎn)復(fù)雜，但，通常，為了本

論題討論（MCM）可被看作一外殼，第2級(jí)連接為典型的固定連接，但為了修復(fù)與升級(jí)

的目的，插座是由可插入的若干零部件組成。

第3級(jí)?第3級(jí)連接是PWB之間的連接。插座（第2級(jí)）已經(jīng)包含了電連接器的基

本組件，正是在第3級(jí)將會(huì)出現(xiàn)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(gòu)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(yùn)用比邊緣式電連接器占有優(yōu)勢(shì)。

第4級(jí)?第4級(jí)連接是系統(tǒng)組件間的連接。系統(tǒng)組件可能是單個(gè)的PWB或分離的單

元例如硬盤驅(qū)動(dòng)器或電源。典型的第4級(jí)連接根據(jù)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(jí)?第5級(jí)連接是系統(tǒng)組件與系統(tǒng)輸入/輸出間的連接。系統(tǒng)組件與系統(tǒng)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(jí)?第6級(jí)連接是系統(tǒng)與接口設(shè)備或系統(tǒng)間的連接。這些連接典型的是線纜裝

配。

附：上述兒節(jié)對(duì)電連接器電阻的構(gòu)成、導(dǎo)線及線纜的區(qū)別、電連接器與PWB的兩種

連結(jié)技術(shù)及電連接器的連接層次作了簡(jiǎn)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，其中接觸彈片電阻占總電阻的絕大部分。線

纜與導(dǎo)線除了結(jié)構(gòu)有所不同外，更主要是在其應(yīng)用及抗干擾功能上的不同。電連接器與

PWB有穿孔技術(shù)及SMT技術(shù)，穿孔技術(shù)穿孔技術(shù)（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(jí)層次，即：芯片與外殼或主電路板,

外殼與PWB,PWB之間，系統(tǒng)組件間，系統(tǒng)組件與輸入/輸出，系統(tǒng)間或系統(tǒng)與其外設(shè)間。

關(guān)于級(jí)別六，是有關(guān)系統(tǒng)與外圍設(shè)備或者系統(tǒng)與系統(tǒng)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(shè)計(jì)、選用方面，目前所用的連接器其相互連接的級(jí)別是從以下幾點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)性（具有通用的標(biāo)準(zhǔn)，可互換）

可分離性及耐久性：

早期規(guī)定，級(jí)別1和級(jí)別2所定的相互接合專指持久性。級(jí)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(duì)于那些插拔次數(shù)較多的連接器，對(duì)其持久性的

考慮將不是擺在最重要的位置，而對(duì)插拔力大小的考慮，隨著端子數(shù)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(fā)的對(duì)象。當(dāng)然，隨著芯片和

MCMs上的端子數(shù)的增多，該等低插入力連接器或者零插入力連接器在設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)注重其

端子耐久性的考慮以滿足連接級(jí)別2的要求。級(jí)別4和級(jí)別5著重強(qiáng)調(diào)連接器要滿足其不

斷增加的插拔次數(shù)的需要。按這樣的標(biāo)準(zhǔn)制出的連接器其端子插拔力較為適當(dāng)，實(shí)際上，

該等連接器即使其端子數(shù)為兒十乃至幾百，其插拔力仍會(huì)小于級(jí)別3連接器的插拔力。級(jí)

別6所提供的連接器在保持原有插拔力不變的基礎(chǔ)上，使端子有效插拔次數(shù)大幅度提高。

某些與外圍設(shè)備相連的諸如電子卡連接器的端子連接，其要求插拔次數(shù)不低于數(shù)千次，這

就需要在可分離之界面嚴(yán)格地控制其設(shè)計(jì)及選材等各種因素，尤其要提高小型化連接器之

結(jié)構(gòu)緊密度。

標(biāo)準(zhǔn)性:

標(biāo)準(zhǔn)性是指各種不同的連接方式之間具有通用的標(biāo)準(zhǔn)，級(jí)別1和級(jí)別2所指的連接器

其包裝和插裝的標(biāo)準(zhǔn)是很重要的。其生產(chǎn)和組裝過程會(huì)涉及到一部分該標(biāo)準(zhǔn)性以滿足第3、

第4級(jí)別之要求，而第5、第6級(jí)別的連接器其相干性及兼容性則顯得更加重要。

這一觀點(diǎn)主要是針對(duì)各種級(jí)別的連接步驟作出簡(jiǎn)要說明，指出各級(jí)別連接方式之間具

有相互交迭性，而且同一連接器或連接器類型可用在不同的連接級(jí)別當(dāng)中。了解該等相互

交迭性質(zhì)，將會(huì)有助于了解以后所介紹的各類連接器的功能，以作為對(duì)各種連接級(jí)別的補(bǔ)

充說明。

1.5.2連接器分類

這一章里，連接器將被特殊地看作是固定連接介質(zhì)而不當(dāng)作是連接系統(tǒng)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(duì)線、線對(duì)板及板對(duì)板。圖1.11所示為三種

類型連接器的結(jié)構(gòu)。我們?cè)俅螐?qiáng)調(diào)，這三種類型的連接方式并非截然不同。以下兩個(gè)原因

可說明這樣的類型交迭狀況。首先，同一種連接器的設(shè)計(jì)方案只需經(jīng)過在連接方式上稍作

改變后再重新定義，即變成可適用于另一種類型連接方式的新的設(shè)計(jì)方案；其次，一條線

纜在裝配時(shí)可于其一端裝上線對(duì)線連接器而于另一端裝上線對(duì)板連接器，例如：I/。連接

器5級(jí)產(chǎn)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(jù)。

.線對(duì)線連接.

線對(duì)線連接同樣也包括了線對(duì)線纜或者線纜對(duì)線纜的形式，其定義特征是兩根單線個(gè)

體或者是兩條線纜中的對(duì)應(yīng)導(dǎo)線相互永久性連接。該等永久性連接更多地常見于固定連接

中線對(duì)線連接以及IDC連接。卷曲連接常見于不連續(xù)的線連接器中，IDC因其在與導(dǎo)線相

關(guān)及線束末端處理上具有優(yōu)越性而常用于支配線纜連接器，線對(duì)線連接器具有各種各樣幾

何形狀的塑料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(yīng)用。

.板對(duì)板連接.

前面已提到過兩種類型的板對(duì)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(duì)板連接器設(shè)置于電路板邊緣故稱卡緣，其發(fā)展至

最終將會(huì)變成雙片連接器，因?yàn)橛∷㈦娐钒寮夹g(shù)性能及其尺寸在不斷增長(zhǎng)，當(dāng)板的尺寸增

加，其結(jié)果將導(dǎo)致連接器的容量增大，從而端子數(shù)增多，連接器插拔力增大，電路板印刷

電路的容量增大將導(dǎo)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(fā)展

成雙片連接器。

.線或線纜對(duì)板連接.

在線對(duì)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(yīng)用，其端子配合界面適合可分離的連接性，線對(duì)線連接器也是大同小異，它們

均是出自同一家制造廠。線對(duì)板連接器還具有很多其它的用途，其發(fā)展方向是線纜對(duì)板連

接器，或是利用前述IDC的優(yōu)越性進(jìn)行線纜裝配。

.總結(jié).

這種形式當(dāng)然不是給連接器分類的唯一方法，但這種方法確實(shí)能很好地實(shí)現(xiàn)比較各種

連接器的目的。每一類型的連接器將在第13章里作細(xì)致地討論，在這一章里還將討論一

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(yīng)用

隨著連接器應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，它們可根據(jù)其兩大基本功能而分成：信號(hào)傳輸及電

傳輸兩類。在電子應(yīng)用領(lǐng)域這兩類連接器的顯著特點(diǎn)在于其端子上一定帶有電流，在其它

的應(yīng)用當(dāng)中，端子所提供的電壓將同樣作為很重要的考慮對(duì)象，雖然同一種端子的設(shè)計(jì)可

同時(shí)作為信號(hào)和電量傳輸兩種功用，但在多種相類似的接觸方式的應(yīng)用上來看，許多電傳

輸連接器在端子設(shè)計(jì)時(shí)僅僅把電量傳輸?shù)男枰鳛槲ㄒ荒康摹?/p>

.信號(hào)傳送.

信號(hào)傳送可分為兩類：仿真信號(hào)傳送及數(shù)字信號(hào)傳送。這種分類是基于很多共同特

征來描述的，在這部分的介紹當(dāng)中我們對(duì)其并不作詳盡的討論，數(shù)據(jù)信號(hào)以及與其相關(guān)的

連接器將在第12章中討論。

不論仿真或數(shù)字信號(hào)連接器，其所需功能主要應(yīng)能保護(hù)所傳送的電壓脈沖信號(hào)的完整

性，該完整性應(yīng)包括脈沖信號(hào)的波形以及其振幅。數(shù)據(jù)信號(hào)在脈沖頻率上與仿真信號(hào)有所

區(qū)別，其脈沖傳遞速度決定了所保護(hù)的脈沖的最大頻率，數(shù)據(jù)脈沖的傳遞速度比一些典型

的仿真信號(hào)要快得多，有的脈沖在連接器中的傳遞速度已接近千億分之一秒的范圍，在當(dāng)

今微電子技術(shù)領(lǐng)域中，通常把連接器當(dāng)作一導(dǎo)線看待，因?yàn)榕c增長(zhǎng)如此之快的頻率相關(guān)的

波長(zhǎng)能比得上連接器的尺寸。

當(dāng)連接器或是一互相連絡(luò)系統(tǒng)諸如一線纜裝配被運(yùn)用于高速數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸中，相應(yīng)的

對(duì)連接器性能的描述也就改變了。代替了電阻的特征阻抗以及互相連絡(luò)系統(tǒng)中的串音變得

尤為重要?？刂七B接器的特征阻抗成為一大意識(shí)潮流，在線纜中便是對(duì)串音進(jìn)行控制。特

征阻抗在連接器中之所以具有如此重要的地位，是因?yàn)殡娮璧膸缀瓮庑魏茈y做到完全統(tǒng)

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(shí)現(xiàn)，其特征阻抗也易控制，但是線纜的長(zhǎng)度將有可能引起潛在的串音。

在連接器中控制特征阻抗是圍繞這個(gè)理由而進(jìn)行的，在典型的開放式端子區(qū)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(dá)到的。于此類信號(hào)而言，接地比率

是這種分布的一種反映，接地比率減少了。當(dāng)然，這樣的結(jié)果就會(huì)減少可用于傳送信號(hào)的

端子數(shù)目。與信號(hào)端子相關(guān)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(tǒng)已經(jīng)得到了中發(fā)展。前文中已經(jīng)介紹過了微條和條線的

幾何形狀。整體的接地平面允許用于傳遞信號(hào)端子的使用，且能提高連接器所有傳遞信號(hào)

的密度。圖1.13展示了一個(gè)開放端子區(qū)域和接地平面連接器的結(jié)構(gòu)。

.電力應(yīng)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：⑴專用于高水平的當(dāng)前電力接觸傳遞⑵和并行多造信號(hào)

接觸。它們每一種方法都有優(yōu)有劣。

電力傳輸與信號(hào)傳輸相比有兩點(diǎn)不同之處。第一點(diǎn)，也是最明顯的，是用于傳遞較高

電流。信號(hào)傳遞的電流通常不超過1安培，最多也不會(huì)超過兒安培，而電力傳輸?shù)碾娏骺?/p>

達(dá)到幾十乃至幾百安培。第二點(diǎn)是由于電流導(dǎo)致的焦耳熱而產(chǎn)生的溫度升高。信號(hào)接觸過

程產(chǎn)生的焦耳熱與周圍的溫度相差不多。相反地，電力傳輸?shù)谋嚷视质腔跍囟鹊纳撸?/p>

溫度的升高，又產(chǎn)生相應(yīng)的比率電流。一次30度的溫度的升高通常作為一個(gè)電流比率的

標(biāo)準(zhǔn)。

因此，為滿足電流額定值及性能的穩(wěn)定性要求，控制焦耳熱是很有必要的，這就需要

在設(shè)計(jì)當(dāng)中考慮信號(hào)傳遞的同時(shí)也要考慮電量的傳輸。尤其對(duì)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，而月.，接觸面的電阻也必須減小到最低程度，使其

產(chǎn)生的熱量最小化。從選材的角度來說，當(dāng)然是選擇高導(dǎo)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(guān)于開放端子領(lǐng)域（a圖）和接地平面連接器（b圖）的例子。（AMP公司許

可）

更高的交叉部分、多余的接觸端子，都暗示提高接觸壓力下連接器的尺寸。也就是說,

實(shí)際上，有一個(gè)限制在貢獻(xiàn)電接觸上，包括接觸媒體和接觸的尺寸。在使用貢獻(xiàn)電接觸上,

電力線纜的路徑，線纜大電力接觸的終點(diǎn)及電接觸的尺寸會(huì)成為限制因素。

隨著在連接器設(shè)計(jì)上提倡附加的限制，并行多訊號(hào)接觸允許更多傳統(tǒng)的連接器被用來

分配電能。這些限制首先直接針對(duì)保證通過接觸的電流的分配，同時(shí)，它們的熱環(huán)境盡可

能一致。其中以下三個(gè)因素是主要的：

1.電路應(yīng)是平行的電子流；也就是說，如果可能的話，經(jīng)過所有的接觸電壓降應(yīng)該

是相同的。如果不同的電壓降對(duì)用途來說是根本性的，則這些電路將被區(qū)別對(duì)待。

2.如果可能的話，接觸時(shí)的熱效應(yīng)會(huì)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(hào)分配里一起計(jì)算的任意偏差必須相同。例如，依靠在

接觸時(shí)存在的排列方式，在適當(dāng)角度連接器獨(dú)立接觸的巨大阻抗會(huì)有差異。在設(shè)計(jì)分配的

接觸時(shí)，這些差異應(yīng)當(dāng)被考慮。

認(rèn)識(shí)到所有考慮的結(jié)果是一個(gè)明確的關(guān)于接觸的電流的影響能力的討論。降低到50%

可能會(huì)被意識(shí)到。換句話說，為分配100A的訊號(hào)到PWB,如以1A的電流接觸速率，那

么合適的接觸應(yīng)當(dāng)是接近200A而不是100A,這表明，大量接觸是相當(dāng)依賴于單位接觸電

流速率。

.概述.

大體上，由于受終點(diǎn)、路線和尺寸考慮的限制，電流分配經(jīng)由貢獻(xiàn)高電流能力是明顯

的?？紤]到大范圍接觸和連接器的用途，多數(shù)電流分配的訊號(hào)接觸的用途需要更多的詳細(xì)

分析，這些分析關(guān)于連接器要求和它們?cè)诒倔w中位置的接觸分配。

1.6連接器測(cè)試

討論到這個(gè)程度，也就牽涉到自身在連接器設(shè)計(jì)及材料、用途的考慮?，F(xiàn)在把注意力

轉(zhuǎn)向如何測(cè)試性能；也就是說，連接器測(cè)試可從兩個(gè)方面來評(píng)估：即做什么和如何做，為

什么測(cè)試。

1.6.1連接器測(cè)試的類型

首先考慮做什么測(cè)試和如何做測(cè)試。在本書中的一些敘述中，一項(xiàng)連接器測(cè)試包括露

天條件和設(shè)定條件的操作，由此也將定義這類操作，接下來是測(cè)試手段。例如，暴露在腐

蝕性環(huán)境下的接觸阻抗測(cè)試一般被認(rèn)為是??種環(huán)境測(cè)試。以上這些牽涉到做什么和如何

做，這表明選擇和如何定義這些條件，測(cè)試哪些性能和如何做測(cè)試。至少有三類測(cè)試和測(cè)

試手段：環(huán)境測(cè)試、機(jī)械性能測(cè)試、電氣性能測(cè)試。實(shí)例見表1.1。

通過介紹測(cè)試術(shù)語，接下來考慮測(cè)試原因。

1.6.2連接器測(cè)試的原因

連接器測(cè)試的基本原因是鑒定連接器性能。除設(shè)計(jì)鑒定測(cè)試外，原型或試驗(yàn)型產(chǎn)品做

測(cè)試可使連接器設(shè)計(jì)有充分依據(jù)，大部分連接器測(cè)試被引入每一個(gè)特定或合格測(cè)試程序用

來鑒定產(chǎn)品性能。對(duì)于本次討論目標(biāo)，特定的或合格測(cè)試不同于那種特殊的由連接器生產(chǎn)

廠商定義的作為每一個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的測(cè)試。就條件測(cè)試而言，它是由消費(fèi)者、產(chǎn)業(yè)界、國家

的、國際標(biāo)準(zhǔn)來共同定義每一測(cè)試程序。在每個(gè)例子里，測(cè)試程序?qū)ù罅繙y(cè)試項(xiàng)目：

環(huán)境測(cè)試、機(jī)械性能測(cè)試、電氣性能測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試手段及認(rèn)可的判斷標(biāo)準(zhǔn)都與連

接器設(shè)計(jì)必須滿足的使用或市場(chǎng)要求有關(guān)。通常，這種露天條件和測(cè)試手段判斷標(biāo)準(zhǔn)是有

一些一般代表性，在種意義上覆蓋了一個(gè)市場(chǎng)或一個(gè)使用范圍而不是針對(duì)某一個(gè)特殊使

用。

當(dāng)一項(xiàng)特別使用成為測(cè)試程序項(xiàng)目時(shí)，測(cè)試可能被指定為性能鑒定測(cè)試。在這樣的一

個(gè)例子里，暴露條件常常是更特別的。根據(jù)環(huán)境和暴露時(shí)間

表L1連接器測(cè)試類型

類型暴露條件測(cè)試手段

環(huán)境測(cè)試混合的流動(dòng)性氣體滲水性

溫度/濕度溫度升高

熱老化性潮氣吸收

機(jī)械性能熱振動(dòng)抗拉強(qiáng)度

測(cè)試振動(dòng)摩擦系數(shù)

耐久周期適配力

電氣性能__過載電流接觸阻抗

測(cè)試電流循環(huán)轉(zhuǎn)換阻抗

長(zhǎng)度可更適當(dāng)?shù)胤从硨?duì)條件及特殊使用的需求。這同樣是一個(gè)真實(shí)的測(cè)試手段及認(rèn)可的判

斷標(biāo)準(zhǔn)。這樣的測(cè)試是一個(gè)介于條件與性能測(cè)試的中間環(huán)節(jié)。

可靠性測(cè)試伴隨著一個(gè)相似于用在別的合格或性能測(cè)試上的測(cè)試表。然而有兩個(gè)主要

區(qū)別。首先，可靠性測(cè)試要求在暴露測(cè)試和操作環(huán)境間存在一個(gè)比合格測(cè)試更嚴(yán)格的已知

的聯(lián)系，換句話說，測(cè)試可靠性必須在測(cè)試與使用上有一個(gè)加速因素是已知的。這也就是

說，暴露在測(cè)試A中X天要等同于在使用B中丫年。這種要求通常無法滿足，并限制了

做可靠性測(cè)試的。第二點(diǎn)不同在重要程度和統(tǒng)計(jì)處理上的認(rèn)可判斷標(biāo)準(zhǔn)。條件測(cè)試認(rèn)可判

斷標(biāo)準(zhǔn)，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(jià)值在于，通過廣泛使

用，提供可接受的性能?？紤]到使用，可靠性認(rèn)可判斷標(biāo)準(zhǔn)將反映特殊要求，這將在很多

案例中明顯超過合格價(jià)值。但可靠性認(rèn)可判斷標(biāo)準(zhǔn)還將被運(yùn)用去滿足更嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)要求

一在特定的相同尺寸和數(shù)據(jù)分析一超過那些用在合格測(cè)試程序中的要求。

1.7結(jié)論

本節(jié)敘述的目的是介紹術(shù)語，并對(duì)于每個(gè)將在以下章節(jié)所提到的更詳盡的主題討論提

供一個(gè)上下文背景。

第二章接觸界面及接觸過程

在第一章已說過，接觸界面的微觀結(jié)構(gòu)決定了電連接器的電子性能和機(jī)械性能。例如,

可分離接觸界面和永久性接觸界面的電阻值和插接力以及耐久性都依賴于接觸界面的微

觀結(jié)構(gòu)。因些，有關(guān)接觸界面的的基本結(jié)構(gòu)和接觸界面形成的過程的知識(shí)對(duì)了解接觸界面

對(duì)連接器的一些重要性能特征的影響是很必要的。這些知識(shí)，反過來，又會(huì)幫助理解界面

的設(shè)計(jì)和制造界面的材料對(duì)創(chuàng)造和維護(hù)確實(shí)可靠的連接器特性的影響。下面的討論將主要

針對(duì)可分離接觸界面，但是，這些相似的討論也與永久性機(jī)械接觸界面有關(guān)。

2.1接觸界面的形狀

如前所述，當(dāng)把插頭插入插座孔時(shí)，接觸界面就產(chǎn)生了。威廉先生提供了一份說明界

面產(chǎn)生過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

有時(shí)候，根據(jù)連接器和地球外表的相似點(diǎn)，使連接器接觸點(diǎn)（a-spots）具體化是很有益

的。事實(shí)上，鄉(xiāng)村確實(shí)提供了一種非常有用的典型連接器接觸界面的拓樸模型。山丘高度

與山丘間距離的比例和連接器接觸表面的微觀拓樸模型是相當(dāng)相似的。兩者之差異大約在

1%至10%之間。根據(jù)輪廓測(cè)定法（profilometric）和語義學(xué)（SEM）原理繪出的詳細(xì)的連接器表

面圖與普通的地球輪廓圖是相當(dāng)相似的，而且把兩個(gè)導(dǎo)體壓在一起，就象把美國的佛蒙特

州翻過來蓋在英國的漢普夏郡，比例是1：3,000,0000

這個(gè)模擬例子闡述了關(guān)于接觸界面構(gòu)形的凸凹面的重要性，并且介紹了微觀接觸界面

的形狀，圖2.1描繪了這種微觀接觸界面的形狀。實(shí)際上，只有接觸界面的高點(diǎn)，即微觀

凸面，能夠相互接觸。這些微觀凸面被稱為接觸點(diǎn)。雖然它還受其它因素的影響，但是接

觸點(diǎn)的數(shù)量取決于接觸面的粗糙度，這一點(diǎn)以后將詳述。由于尺寸太小（微米數(shù)量級(jí)）；即

使在“板對(duì)板〃階段，在一克力的作用下，這些接觸點(diǎn)也會(huì)因發(fā)生塑性變形而被破壞。這

個(gè)破壞要持續(xù)到一個(gè)足夠承受施加負(fù)荷的接觸表面形成時(shí)。威廉和格林針對(duì)這一問題作了

詳細(xì)的討論。

從應(yīng)用的角度看，上述討論暗指實(shí)際接觸界面的大小僅取決于施加的負(fù)荷。對(duì)于一個(gè)

連接器來說，該負(fù)荷對(duì)應(yīng)于接觸正壓力。對(duì)于典型的連接器，接觸界面僅有一小部分（1%

左右）是接觸的。

接觸正壓力決定接觸面積，但如何分配這些接觸區(qū)域則取決于接觸界面的幾何形狀。

如圖2所示，球面接觸將形成無數(shù)個(gè)圓形接觸點(diǎn)。

因些，接觸界面的構(gòu)形依賴于接觸界面的粗糙度，該接觸界面的粗糙度又影響接觸點(diǎn)

的數(shù)量、施加的負(fù)荷（該負(fù)荷影響接觸面積）和接觸界面的兒何形狀（該兒何開關(guān)又影響接觸

點(diǎn)的分布）。

接觸點(diǎn)的數(shù)量與接觸界面的依賴關(guān)系是合理的，下面將作進(jìn)一步說明。按照威廉和格

林的觀點(diǎn)，初始表面粗糙度決定接觸點(diǎn)的數(shù)量，但是有多少接觸點(diǎn)能接觸卻依賴于施加的

負(fù)荷。連接器表面開始接觸時(shí)，只有最高的接觸點(diǎn)能接觸導(dǎo)通。這些一開始就接觸的接觸

點(diǎn)的變形使得接觸界面越來越相互靠近，這樣，其它比一開始就接觸的接觸點(diǎn)稍低的接觸

點(diǎn)也逐漸實(shí)現(xiàn)接觸導(dǎo)通。隨著負(fù)荷的增加，這樣的接觸點(diǎn)將依次變形。當(dāng)足夠數(shù)量的接觸

點(diǎn)變形到某一程度，即，當(dāng)所有接觸點(diǎn)面積之和足夠支承施加的負(fù)荷時(shí)，這種變形便停止

To如果引用一個(gè)硬度的概念，那么，對(duì)這個(gè)過程就可進(jìn)行直觀的描述了。材料的硬度是

用力和單位面積比來定義的，例如克力每平方厘米。也就是說，如果某材料的硬度是10

克力每平方厘米，那么一個(gè)10克力的負(fù)荷或力將產(chǎn)生1平方厘米的接觸面積。那么，接

觸點(diǎn)的數(shù)量就依賴于表面接觸點(diǎn)和施加的負(fù)荷。

接觸界面的宏觀兒何外形（例如球面與平面平面接觸）決定了機(jī)械接觸面積在整個(gè)接觸

面積中的分配方式。圖2.3描述了影響的過程，該圖用實(shí)例說明了當(dāng)外載荷增加時(shí)，接觸

點(diǎn)的尺寸和數(shù)量也相應(yīng)地變化。

摘自GreenWood的圖2.4提供了一個(gè)上述觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，該實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)一個(gè)鋼球

分別用兩種不同的載荷，如20克力和80克力去擠壓一平面時(shí)，兩者的接觸界面就產(chǎn)生了。

該實(shí)驗(yàn)表明，在載荷作用下，接觸點(diǎn)的數(shù)量、單個(gè)接觸點(diǎn)的尺寸，以及由無數(shù)接觸點(diǎn)組成

的宏觀接觸區(qū)域面積都將相應(yīng)地增加，這一結(jié)果與上面的論述完全相符。

接觸界面的粗糙度或接觸點(diǎn)模型可以描述如下：

接觸界面是由分布于宏觀接觸區(qū)域上的接觸點(diǎn)組成的。宏觀接觸區(qū)域的大小取決于接觸界

面的幾何外形。接觸點(diǎn)的數(shù)量和大小處決于表面粗糙度和負(fù)荷。負(fù)荷也決定了接觸界面的

光潔度。

這種模型描述了接觸界面上的機(jī)械構(gòu)形，但是它僅僅從微觀上描述了接觸界面的外

形。然而，考慮精煉爐的細(xì)微表面，甚至其表面的原子或分子結(jié)構(gòu)都是非常重要的。所有

的金屬表面都覆蓋著--層原子數(shù)量級(jí)的薄膜。圖2.5簡(jiǎn)要地表達(dá)了幾種可能覆蓋于金屬表

面的薄膜。在金屬表面的最外層可能是大量的化合物薄膜。氧化物是最常見的一種，其它

物質(zhì)（如：硫化物、氯化物以及復(fù)合膜）也可能存在，這是由金屬材料和金屬暴露環(huán)境條件

決定的。不同金屬的熱力學(xué)性能和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能差異很大，熱力學(xué)性能決定生成何種薄膜，

運(yùn)動(dòng)學(xué)性能則影響薄膜的生成快慢。

如果考慮接觸界面鍍層的話（這一點(diǎn)將在第三章論述），那么上述薄膜對(duì)連接器性能的

影響就顯得相當(dāng)明顯了。事實(shí)上，如第一章所述，接觸界面的鍍層可以分為貴重元素（不

易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的元素，如，金）和非貴重元素（如，錫，該元素表面通常有一層薄薄的氧

化物層）。因此，可以認(rèn)為：生成化學(xué)膜的類型以及生成速度都依賴于基材金屬和環(huán)境中

的化學(xué)物質(zhì)。除了化學(xué)物質(zhì)以外，環(huán)境溫度和濕度也在薄膜生成時(shí)扮演了重要的角色。

除了上述化學(xué)膜以外，其它復(fù)合膜(特別是含水量、組織以及各種各樣的其它污染物

和微粒)也可能存在于金屬外表。這些復(fù)合膜也可能對(duì)連接器的機(jī)械和導(dǎo)電性能產(chǎn)生很大

的影響，這一點(diǎn)將在以后闡述。

2.2接觸界面和機(jī)械性質(zhì)

本部分主要討論點(diǎn)接觸模式?jīng)Q定的接觸界面的機(jī)械特性，尤其是對(duì)摩擦和磨損的影

響。從連接器性能的角度來看，摩擦的重要性在于它對(duì)于連接器配合力的和接觸界面的機(jī)

械穩(wěn)定性的作用。在連接器性能顯然退化之前.，磨損過程將影響連接器能經(jīng)歷的配合周期

次數(shù)。點(diǎn)接觸模式對(duì)摩擦和磨損的作用可以由圖2.6中得到解釋。在圖例中展示了兩種點(diǎn)

接觸方式，其中a區(qū)接觸時(shí)間比b區(qū)接觸時(shí)間更長(zhǎng)且經(jīng)歷的變形量更大。如222部分中

所述，在這些條件下a區(qū)的接觸面積將大于b區(qū)，也就是說a區(qū)的連接將會(huì)更比b區(qū)穩(wěn)固。

此時(shí)a區(qū)的剪切力(或剪切強(qiáng)度)也比b區(qū)大。這種變化將會(huì)影響點(diǎn)接觸的摩擦和磨損。

為預(yù)測(cè)將會(huì)遇到的問題，摩擦和磨損是兩種不同的方法，來描述點(diǎn)接觸界面在受到壓

力之下的分離。接下來的討論僅僅涉及到單一點(diǎn)接觸模型。當(dāng)然接觸界面的性能將會(huì)影響

多個(gè)的點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)以及由各個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)接觸性能總和表現(xiàn)出來。此時(shí)將首先考慮摩擦作用

的影響。

2.2.1摩擦

摩擦表現(xiàn)為一個(gè)力量，其作用是阻止兩個(gè)接觸表面之間在受到剪切力的作用下沿相對(duì)

的方向移動(dòng)。摩擦力可以由公式2.1來確定：

Ff=nFn(2.1)

其中，F(xiàn)f==摩擦力

u==摩擦系數(shù)

Fn==維持兩表面接觸的力一對(duì)連接器而言是接觸正壓力

由Rabinowitz的理論，摩擦力可看作是分離兩表面間連接的必需力量。摩擦力可以從

下面公式中，由接觸界面強(qiáng)度而進(jìn)行簡(jiǎn)單的估計(jì)：

Ff=TsAc(2.2)

其中,Ts==剪切強(qiáng)度系數(shù)

Ac==點(diǎn)接觸面積

接觸區(qū)域與硬度，H（接觸高度），以及由等式（2.1）中的力Fn有關(guān)：

Ac=KH/Fn（2.3）

比例常數(shù)K由很多參數(shù)而定，例如表面鍍層的作用，潤(rùn)滑的狀況，表面粗糙度，接觸正壓

力以及變形的種類（彈性/塑性變形），由此，我們將公式Q.1）與公式Q.3）合并后可得到：

口=KTs/H（2.4）

如Rabinowitz所提出的，剪切強(qiáng)度和硬度同樣要由材料的性質(zhì)來決定，因此公式（2.4）

中的系數(shù)可以被看作為1的常數(shù)。

在實(shí)踐中，摩擦系數(shù)是從0.05到＞1不等，與理論上的偏差僅僅反映的了假設(shè)的簡(jiǎn)化

模式的限制，尤其是接觸總面積是金屬以及表面的分離產(chǎn)生在原來的接觸界面上。

低的摩擦系數(shù)值表明接觸表面是由鍍層覆蓋的，其中有化學(xué)聯(lián)接層（如氧化物），吸收

層（如水或有機(jī)物），以及趨向于應(yīng)用的潤(rùn)滑劑層。這些涂層對(duì)于減少這兩種機(jī)械接觸表面

的剪切強(qiáng)度都是非常重要。

位于接觸端的氧化層可減少金屬接觸面積。氧化層能支持但并不能促進(jìn)機(jī)械式的金屬

接觸。減少金屬接觸面積將導(dǎo)致剪切力的降低，其最終的結(jié)果是摩擦系數(shù)的減少。

有機(jī)涂層尤其是潤(rùn)滑劑，提供了在兩表面間具有更低的剪切力的接觸表面和inhabit

金屬接觸層，尤其是兩表面之間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

高的摩擦系數(shù)表明，點(diǎn)接觸的塑性變形作用和金屬性連接的產(chǎn)生，將會(huì)導(dǎo)致比基礎(chǔ)金

屬材料更高的剪切強(qiáng)度。應(yīng)用到接觸界面上的剪切力將會(huì)導(dǎo)致在接觸界面上一定距離內(nèi)接

觸碎片的產(chǎn)生，此時(shí)將會(huì)導(dǎo)致更大的碎片接觸表面積同時(shí)也將導(dǎo)致更的摩擦系數(shù)。使連接

的碎片從原來接觸表面中分離出來的可能性提供一種磨損過程的模式。

2.2.2磨損過程

正如Bowden以及Tabor所提到的，摩擦和磨損過程要由接觸表面的分布位置而定。

如前現(xiàn)所提到的，點(diǎn)接觸塑性變形將會(huì)由于加工時(shí)的變硬而導(dǎo)致接觸強(qiáng)度的增加。除了加

工變硬之外另外一機(jī)理同樣很重要：也就是冷焊。冷焊與經(jīng)過接觸界面聯(lián)接的產(chǎn)生有關(guān)，

而此接觸界面是出現(xiàn)在兩金屬表面將成為intimate接觸時(shí)。在此條件下，相同的聯(lián)接機(jī)理

將對(duì)金屬的粘著力量起到作用。事實(shí)上冷焊界面的強(qiáng)度高于基礎(chǔ)金屬，這是因?yàn)樽冃螘r(shí)產(chǎn)

生加工硬化。這種可能性對(duì)在受到剪切力作用下的接觸將會(huì)產(chǎn)生很大的影響，也同樣要對(duì)

磨損機(jī)理產(chǎn)生影響。現(xiàn)在回到圖2.6中的a-區(qū)域，考慮一下當(dāng)給定冷焊接觸界面的模式時(shí)

接觸界面的分離怎樣出現(xiàn)。在剪切力的作用下假定a-區(qū)經(jīng)過了冷焊，將會(huì)從原來的接觸表

面中分離出去，導(dǎo)致磨損碎片的和金屬轉(zhuǎn)移，此時(shí)情況如圖2.6中的下部所示。b-區(qū)部分

具有較低的變形，因此也具有較低的冷焊時(shí)的加工硬化，也將會(huì)在原來接觸表面的附近產(chǎn)

生微小的分離，也就是說基本上沒有磨損和金屬轉(zhuǎn)移。

前述提到的磨損過程中，a區(qū)為粘著磨損而b區(qū)為光滑磨損。粘著磨損的特性是高的

摩擦系數(shù)和在兩界面間出現(xiàn)金屬轉(zhuǎn)移，而光滑磨損過程是低的摩擦系數(shù)和極少的金屬轉(zhuǎn)

移。應(yīng)當(dāng)注意到磨損是一個(gè)動(dòng)態(tài)的作用過程，它只是當(dāng)兩接觸表面間有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)

產(chǎn)生。在此運(yùn)動(dòng)過程中，連接增長(zhǎng)和prow成形將會(huì)隨著大量的接觸界面的形成和分離而

出現(xiàn)，此時(shí)的結(jié)果將是磨損過程分布在其滑動(dòng)的軌跡上。粘著磨損和光滑磨損軌跡上表面

分別是粗糙和光滑的，此時(shí)可從相對(duì)的金屬轉(zhuǎn)移量而定。

同樣應(yīng)當(dāng)注意的是，如果a-區(qū)分離產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移磨損部分，將會(huì)在接觸界面上產(chǎn)生如研

磨一樣的作用，這是由于它將產(chǎn)生的加工硬化，這里也就提到了第三個(gè)磨損機(jī)理：研磨磨

損，如Antler所提到的，研磨磨損將會(huì)導(dǎo)致接觸界面的磨損率的增加。

2.2.3表面薄膜的摩擦和磨損

表面膜對(duì)摩擦力及磨損的影響可通過分析圖7加于討論，圖7大致顯示了摩擦力系數(shù)

的變化，口，作為隨負(fù)載變化的函數(shù)。負(fù)載變化開始及其存在的范圍依賴于表面膜，構(gòu)造

或化學(xué)接合和表面潤(rùn)滑狀況。摩擦系統(tǒng)數(shù)隨負(fù)載的變化能從小于0.1到大于l.Oo據(jù)等式

(2.5)顯示，磨損系數(shù)K,有相同的變化趨勢(shì)，但因?yàn)槟p機(jī)理的變化其變化階數(shù)很大,

例如，接合處增大與凸頭的形成。

首先考慮摩擦。低負(fù)載狀況下，氧化物的破損與脫落是不完全的，只有一小部分金屬

接觸面產(chǎn)生及粘附?，導(dǎo)致低摩擦系數(shù)。隨負(fù)載的增加，表面變形增加，從而使表面氧化物

破裂十分容易。隨金屬接觸面的增大，摩擦系數(shù)亦跟著增加。最終，金屬接觸面變得很大,

摩擦系數(shù)穩(wěn)定下來。

相似的情況在磨損系數(shù)變化中也可以見到。磨損系數(shù)可由一簡(jiǎn)單的破損等式確定：

v=KFnL/H(2.5)

此處v==通過單程長(zhǎng)度L的容量

H==硬度

Fn==負(fù)載

K==磨損系數(shù)

在該狀況下，如前面所述，磨損系數(shù)集中于破裂的連接處。低負(fù)載情況下，小接觸面

積及極小的冷焊導(dǎo)致小連接處增大及凸頭形成，并伴隨小的磨損在原始接觸面附近發(fā)生分

裂。負(fù)載超過一定范圍，磨損系數(shù)依賴于兩種材料特性與接觸形狀，通過接觸增大與凸頭

形成，表面薄膜破裂的增加促進(jìn)了冷焊的形成和導(dǎo)致粘附性磨損的增強(qiáng)。隨這種磨損機(jī)理

轉(zhuǎn)化的產(chǎn)生，磨損系數(shù)便顯著發(fā)生變化。變化負(fù)載也依賴于接觸面的潤(rùn)滑狀況，是因?yàn)樵?/p>

滑動(dòng)期間潤(rùn)滑對(duì)接觸形成動(dòng)力的影響。有效的潤(rùn)滑可減少與摩擦系數(shù)及磨損系數(shù)二者有關(guān)

的金屬接觸面。Antler建議，對(duì)硬金屬接觸面而言，由光滑磨損向粘著摩擦變化所需的負(fù)

載，無潤(rùn)滑接觸面大約需要10克力，而有潤(rùn)滑的接觸面則超過500克力。通常金鍍層電

連接器的正壓力范圍從50克力到200克力，暗示了使用潤(rùn)滑可延遲粘著磨損的發(fā)生。但

是，該情況并非必定出現(xiàn)，因?yàn)樵谇笆銎陂g全部接觸表面形成了污染膜。這些污染物能

提供表面潤(rùn)滑，雖然是以污染的方式。Antler指出這些偶然被污染的接觸面可承受的負(fù)載

范圍大致為從25克力到250克力。為確保一致的低磨損狀況，有計(jì)劃的潤(rùn)滑是有益的。

接觸潤(rùn)滑將在第三章討論。

2.2.4機(jī)械特性小結(jié)

接觸面的機(jī)械性能，尤其是摩擦及磨損，強(qiáng)烈依賴于接觸面粗糙微結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@些粗

糙微結(jié)構(gòu)很小，它們?cè)谳^小的負(fù)載下發(fā)生彈性形變而導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)接觸面的工件硬化及冷焊

的發(fā)生。接觸點(diǎn)，接觸點(diǎn)的破碎決定了接觸面的摩擦系數(shù)及磨損系數(shù)。摩擦系數(shù)影響接觸

面的配合力和電連接器接觸面的耐磨損持久性。

2.3接觸面形態(tài)及電氣特性

影響摩擦及磨損的相同結(jié)構(gòu)及薄膜決定了接觸面的電氣特性。簡(jiǎn)單而言，本討論從金

屬接觸面開始，薄膜的影響將在后面考慮。

兩個(gè)金屬面接觸產(chǎn)生-電阻，術(shù)語稱之為接觸面壓縮電阻，壓縮電阻產(chǎn)生的根源，如

Holm所描述，是一個(gè)基本的結(jié)果并可通過圖2.8加于說明，接觸面接觸點(diǎn)微結(jié)構(gòu)使電流被

壓縮為僅從接觸點(diǎn)通過，因而會(huì)產(chǎn)生“壓縮電阻”這一術(shù)語。根據(jù)Holm所述，對(duì)單一接

觸點(diǎn)來說，壓縮電阻由下式確定：

RC=P1/2a+P2/2a(2.6)

此處P1與P2==接觸材料的電阻系數(shù)

a==接觸接觸點(diǎn)的直徑

如果兩種材料相同，（2.6）式可簡(jiǎn)化為：

Rc=P/a（2.7）

應(yīng)該注意的是壓縮電阻是一種兒何形狀上的效果。這就是說，如果如2.8圖所描述的

幾何形狀是因?yàn)樵趯?shí)心原料上加工一細(xì)小凹槽而形成接觸點(diǎn)，盡管沒有接觸面存在仍有壓

縮阻抗產(chǎn)生。流過變小了的通過面的電流的壓縮是因?yàn)榻佑|面結(jié)構(gòu)的相互獨(dú)立。這種接觸

面構(gòu)造能夠?qū)е伦杩沟脑黾映龈鶕?jù)式（2.7）所得出的結(jié)果，例如薄膜，但是減少壓縮

電阻的唯一方法是增大接觸面積。

為了本討論的目的，多個(gè)接觸點(diǎn)及它們接觸電阻的分配對(duì)總接觸電阻的影響可由圖

2.9說明。插入的等式表明分布在同一接觸面的單一-接觸點(diǎn)和多個(gè)接觸點(diǎn)的壓縮電阻依賴

于其接觸面的幾何形狀。而多點(diǎn)接觸等式與通常接觸表面更為相關(guān)：

Rc=P/na+P/D（2.8）

此處n==接觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)

D==接觸所分布平面的直徑

該等式表示一系列宏觀壓縮電阻的合成決定于各個(gè)接觸點(diǎn)的微電阻以及這些接觸點(diǎn)

所分布的接觸面積。圖2.10說明了這兩種作用。第一條件明確了并行排列的多個(gè)接觸點(diǎn)的

阻抗。對(duì)金屬導(dǎo)體而言，這種情況的電流壓縮與接觸面非常接近。第二個(gè)條件則表明了電

流壓縮通過分布接觸而的結(jié)果。等式（2.8）,可清楚表明，當(dāng)接觸點(diǎn)的接觸數(shù)目非常大（數(shù)

以十計(jì)）時(shí)，第二個(gè)條件尤其依賴于接觸點(diǎn)的分布。在這些條件下，圖2.9提出了一種近

似的壓縮電阻的第三等式。對(duì)顯示的這種情況，其假定了接觸點(diǎn)的圓形分布，分布面積（因

而其直徑）能夠從接觸材料硬度及其提供的壓力中得到，結(jié)果如式（2.9）。