白皮书:连接器的可靠性
无论是航空航天、工业自动化、交通运输还是医疗保健领域:连接器必须始终确保信号传输的可靠性,且在任何情况下都不得发生故障。与此同时,它们还面临着来自环境的一系列挑战: 冲击、振动和摆动等机械作用会危及数据传输的稳定性;而极端温度、剧烈温差、有害气体、湿气和灰尘等热力和化学环境因素同样构成威胁。因此,高品质连接器制造商会采取全方位的措施,使他们的连接器能够抵御这些挑战。
尽管体积微型化,仍保持坚固耐用

现代电气工程比以往任何时候都更受一种趋势的驱动:微型化。在此过程中,电子模块及其组件不仅必须性能越来越强,还必须体积越来越小。然而,它们往往要在严苛的实际环境中使用。因此,在承受相同载荷的情况下,元器件以及连接器正变得越来越纤薄。 然而,一款优质的连接器不仅能像其老款且体积更大的“兄弟”一样经受住这种压力,甚至表现得更为出色。其原因在于材料成分以及产品设计(例如绝缘体几何形状)方面的进一步发展(图1)。
影响因素:表面

多种因素会影响连接器的耐用性。其中之一便是接触面。它对连接器的使用寿命起着决定性作用,而使用寿命通常以插拔循环次数来衡量。在现场使用过程中,连接器会受到某些微小运动的影响。这些运动会导致表面磨损,进而产生氧化层(图2)。
其结果是接触电阻增大,从而导致信号传输质量下降。因此,必须借助高质量且耐用的接触层,将插拔过程及运行中的表面磨损降至最低。为此,刀片触点和弹簧触点都必须具有相应的光滑表面。 尽管价格不断上涨,但由于其耐腐蚀性和出色的导电性,黄金至今仍是表面镀层的热门选择。由于纯金质地较软,通常会掺入0.2%至0.3%的钴或镍进行合金化,从而制成硬金。 然而,若寻求价格更稳定的替代方案,可选用镍磷合金并覆以金闪镀层。 当这两种材料按特定比例混合时,它们便展现出与黄金相同的优良特性:极高的耐腐蚀性、显著的耐磨性以及卓越的导电性。为了防止接触材料与表面镀层之间的扩散,通常会使用所谓的镍阻隔层。借助这一屏障,可以有效防止腐蚀。
影响因素:触点设计

连接器的触点是通过冲压或旋压工艺制成的。但在冲压过程中,冲压带的底面会形成一种在显微镜下可见的不均匀、棱角分明的表面。 传统系统通过该冲压边缘进行接触,这会导致表面磨损加剧,从而带来更高的接触电阻。若在所谓的冲压弯曲工艺中将弹簧片弯曲90度,使其光滑的轧制面与刀片触点接触(图3),即可避免这一问题。
然而,不仅弹簧排的设计,刀片排的设计对连接器的使用寿命也至关重要。因为后者也必须经过精确冲压和后续加工,以避免产生有缺陷的、锋利的几何形状。
然而,不仅弹簧排的设计,刀片排的设计对连接器的使用寿命也至关重要。因为后者也必须经过精确冲压和后续加工,以避免产生有缺陷的、锋利的几何形状。
影响因素:接触系统

经典的两件式插头连接器通常包含一个刀片触点和一个弹簧触点。 但在受到强烈冲击时,刀片触点排可能会从弹簧触点排上脱落。为避免此类接触中断,可采用双面弹簧触点排来提供冗余,从而确保接触可靠性,因为第二根弹簧可确保信号传输始终至少通过一个接触点进行(图 4)。

相比之下,采用所谓“无性别”接触系统的连接器则更为坚固。其特点在于插头和插座两部分的接触几何形状完全相同。因此,两者均配备弹簧和刀片。这样,每个触点都由两根弹簧接触,插头和插座相互交错,无法彼此分离。 虽然双面弹簧排在承受机械载荷时总能确保至少有一个接触点,但中性接触系统中相互交错的几何结构能确保信号传输始终通过两个接触点进行。这种高冗余度从而实现了最大的接触可靠性(图5)。

就其坚固性而言,这种中性触点系统仅次于一体式连接器。后者完全摒弃了由刀片和弹簧排组成的传统两件式触点原理。 由于消除了易受损的接触区域,一体式连接器不仅具有极强的抗冲击、抗振动、防潮、防尘及耐候性能,还适用于灌封及其他元器件保护工艺。结合压入技术,它们构成了连接两块电路板最安全的机械和电气连接(图6)。
影响因素:连接技术

在印刷电路板(PCB)上安装连接器有多种方法,其中之一便是前文提到的压入(press-fit)技术。该技术的目标是在尽可能小的压入力下,实现连接器与印刷电路板之间尽可能大的保持力。 保持力决定了机械连接的质量,而这种连接必须能够抵御冲击和振动。这种连接技术已经过数十亿次的验证,其原理是将压入式插针压入电路板上的通孔中(图7)。

此时,压入针的对角线长度大于电路板的孔径。连接器针在压入区域具有柔韧性,以防止电路板在压入过程中因物理作用力而变形。 因此,变形仅限于压入区域(图8)。接触针与金属化电路板孔之间形成冷焊:这是一种气密、耐腐蚀、低阻且导电性良好的机械连接,也适用于灌封。 此外,该连接方式符合 DIN EN 60352-5 标准,即使在振动、弯曲和剧烈温差等极高的机械和热应力下,仍能保持可靠的接触,甚至可承受高达 200g 的冲击载荷。
凭借其卓越的坚固性,以及比自动化焊接连接器低十倍的故障率(FIT 率),压入技术常被应用于高安全性应用中,在这些应用中信号传输绝不能中断,例如安全气囊系统或 ABS 和 ESP 模块。
凭借其卓越的坚固性,以及比自动化焊接连接器低十倍的故障率(FIT 率),压入技术常被应用于高安全性应用中,在这些应用中信号传输绝不能中断,例如安全气囊系统或 ABS 和 ESP 模块。

然而,压入式安装技术并非总是适用,例如当电路板需要双面安装,或者无法满足元件在受力方向上的最小间距要求时。 此时,表面贴装技术(SMT)便成为在连接器与电路板之间建立可靠且持久连接的另一种选择。该工艺利用焊膏将连接器焊接到电路板上预定的连接区域——即焊盘上。只有在所谓的回流炉中,焊料才会被熔化并随后固化。 通过SMT技术,可在插头与电路板之间实现稳定的连接。但为此必须满足若干条件:首先,为了符合IPC-A-610标准的焊点,必须保持焊脚、焊盘和焊膏之间的正确比例。只有这样,才能建立高质量的连接,从而实现符合IPC 3级标准的连接,即适用于高性能电子设备。 在此等级下,必须始终杜绝信号传输故障。最佳的焊接连接可通过均匀的焊料弧形来识别。接触点必须被焊料弧形完全包围,以在电路板上获得最佳的保持力。(图9)。
触点脚的共面性是实现卓越连接的前提条件。如果满足所有这些条件,SMT连接器经证实可承受高达400N的机械载荷。
影响因素:绝缘体设计

此外,连接器的绝缘体几何结构还有助于保护其前端的触点,避免在运行或安装过程中受损。其设计应确保连接器内部的脆弱触点处于受保护状态。
此外,通过采用导入斜面,可避免在安装过程中造成损坏。这些斜面有助于在插接时补偿电路板在各个方向上的偏移。 借助额外的卡扣区域,即使出现中心偏移或角度偏差,两个插头半体也能无损地插合在一起(图 10)。
此外,通过采用导入斜面,可避免在安装过程中造成损坏。这些斜面有助于在插接时补偿电路板在各个方向上的偏移。 借助额外的卡扣区域,即使出现中心偏移或角度偏差,两个插头半体也能无损地插合在一起(图 10)。

此外,某些连接器还配备了板锁。所谓板锁,是指固定在绝缘体上并同样焊接在印刷电路板上的金属卡扣(图11)。这样,即使在振动和冲击等恶劣条件下,它们也能进一步确保连接的稳定性。
影响因素 容差范围

连接器的公差范围对其鲁棒性的评估起着决定性作用。如果连接器无法补偿给定的公差,机械运动会导致插头和插座的磨损,甚至造成连接损坏。在安装过程中,导入斜面可提供辅助,确保刀片和弹簧排能无损地插入。 然而,即使在插接状态下,微小位移仍需得到补偿。这可通过触点和绝缘体的几何结构来实现。如果连接器具备浮动功能,即使在运行过程中也能补偿高达±0.4 mm的位移。该功能的重要性日益凸显,因为在电路板上安装多个连接器时,它起着至关重要的作用。 但在实际应用中,应力不仅出现在 x 和 y 方向,还出现在 z 方向(图 12)。

这里涉及插头连接器的插接可靠性问题。它描述了刀片排与弹簧排之间的重叠区域,不仅能适应不同的电路板间距,而且——根据该区域的大小——还能容纳不同的公差范围(图13)。
相比之下,通过电缆连接可以实现最大的公差补偿。在此情况下,电缆的长度决定了插接连接的公差范围。
相比之下,通过电缆连接可以实现最大的公差补偿。在此情况下,电缆的长度决定了插接连接的公差范围。
测试方法

为了全面检验连接器的坚固性,有各种测试方法。在测试过程中,会分别在耐压试验前后检测耐压强度和接触电阻等参数,并对触点状态进行目视检查。 例如,可通过500次插拔循环来验证其耐压性能;或通过气候测试,确定在先于-55°C、后于125°C的环境下持续数小时,是否会对连接器的接触电阻产生负面影响。 在温度冲击测试中,连接器必须承受这两种极端温度之间快速交替的考验,每次30分钟,共100次。此外,插接时的中心偏移和角度偏差,以及插接状态下的公差范围,不仅应在CAD模型上进行理论验证,还应通过实际测试进行充分验证,并经验证其承载能力。 同样重要的是,应将对接触面至关重要的各项测试结合起来进行,以模拟实际工况。例如,可将插拔循环测试与有害气体测试结合进行,以确保连接器在接触电阻和耐压性能方面没有恶化,且触点未受损(图14)。
您的设计——您的选择

根据应用需求的不同,连接器必须满足的坚固性标准也各不相同。例如,它是否需要补偿较大的公差?是否会受到强烈的冲击或振动?是否会在高温或低温环境下使用?或者,该连接解决方案是否需要防潮、防有害气体或防污? 如果用户在选择连接解决方案时能参考这些问题,就可以确信其连接器已为现场应用做好了充分准备。

