白皮书：连接器的可靠性
无论是在航空航天（航空航天）、工业自动化、交通运输还是医疗保健领域：连接器（连接器）都必须始终确保可靠的信号传输，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、剧烈的温度波动、有害气体、湿气和灰尘等热力和化学环境因素同样会对其造成影响。因此，高品质连接器的制造商会采取各种措施，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
现代电子技术正比以往任何时候都更强烈地受到一种趋势的影响：微型化。在此过程中，电子组件及其部件不仅必须性能越来越强，还必须变得越来越小。然而，它们往往要在严苛的实际环境中使用。因此，在承受相同负荷的情况下，元器件以及连接器（连接器）正变得越来越纤细。 然而，一款优质的连接器不仅能像其较老、体积更大的“前辈”一样很好地抵御这种压力，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可靠性。其中之一是接触面（接触表面）。它对连接器的使用寿命起着决定性作用，使用寿命通常以插拔循环次数（插拔次数）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。这些微小运动会导致表面磨损，进而形成氧化层（图2）。
其结果是接触电阻（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触点镀层（接触层），将插拔过程及运行中的表面磨损降至最低。为此，刀片式和母端子（弹簧触点）都必须具有相应光滑的表面。 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（硬金）。 然而，若寻求一种价格更稳定的替代方案，可以考虑采用镍磷合金结合闪镀金。 当这两种材料按特定比例混合时，便能展现出与黄金相同的优良特性：高耐腐蚀性、出色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
连接器的触点采用冲压或旋压工艺制成。然而，在冲压，冲压料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。 传统系统是与该冲压边缘（剪切面）接触的，这会导致表面磨损加剧，从而带来更高的接触电阻（接触电阻）。如果通过所谓的“冲压弯曲工艺”将弹簧接头弯曲90度，使其光滑的轧制面与刀片触点（公端子）接触，就可以避免这个问题（图3）。
然而，不仅母连接器，公连接器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的冲压和后续加工，以避免出现有缺陷的、锋利的几何形状。
然而，不仅母连接器，公连接器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的冲压和后续加工，以避免出现有缺陷的、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（连接器）通常包含一个刀片式触点（Messer）和一个弹簧式触点（母端子）。但在受到强烈冲击时，刀片式触点排（公连接器）可能会从弹簧式触点排（母连接器）上脱离。为防止此类接触中断（瞬断）发生，可通过使用双面弹簧式触点排（母连接器）来实现冗余，从而确保接触可靠性——因为第二根弹簧能确保信号传输在任何时候至少通过一个接触点进行（图4）。
相比之下，采用所谓“雌雄同体”接触系统的连接器（连接器）则更为坚固。其特点在于连接器半部（Plug）和插座半部（Socket）的接触几何形状完全相同。因此，两者均配备弹簧和触点。这样，每个引脚都由两个弹簧接触，连接器半部和插座半部相互交错，无法彼此分离。 虽然双面母连接器在承受机械载荷时总能确保至少有一个接触点，但性别中立接触系统中相互交错的几何结构则保证了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，这种雌雄同体接触系统仅次于单件式连接器。后者完全摒弃了由刀片（Messer）和弹簧排（母连接器）组成的传统两件式接触原理。 由于消除了易受损的接触区域，一体式连接器不仅对冲击、振动、潮湿、灰尘和大气条件具有最高的抗性，还适用于灌封及其他元器件保护工艺。结合压接技术，它们构成了两块电路板之间最安全的机械和电气连接（图6）。
影响因素：端接技术
将连接器（连接器）安装在电路板上有多种方法。其中之一便是前文提到的压入技术（压接技术）。该技术的目标是在尽可能小的压入力（压入力）下，实现连接器与电路板之间尽可能大的保持力。 这种保持力决定了机械连接的可靠性，而该连接必须能够抵御冲击和振动。这种端接技术（压入式连接技术）是一种经过数十亿次验证的工艺，其原理是将压接针（压入式针脚）压入电路板上的金属化通孔（通孔）中（图7）。
其中，压接针 的对角线长度大于电路板的孔径。压接区 中的连接器针脚具有柔性，以确保电路板在压入过程中不会因物理力而变形。 因此，变形仅限于压接区 （图8）。插针 与金属化电路板孔之间形成了冷压焊连接：这是一种气密、耐腐蚀、低阻抗且导电性能优良的机械连接，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负荷条件下，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，以及比自动化焊接的连接器 高出十倍的失效率 （FIT率 ），压接技术 常被应用于高安全性领域，在这些应用中，信号传输在任何情况下都不得中断，例如安全气囊系统或ABS和ESP模块。
凭借其卓越的坚固性，以及比自动化焊接的连接器 高出十倍的失效率 （FIT率 ），压接技术 常被应用于高安全性领域，在这些应用中，信号传输在任何情况下都不得中断，例如安全气囊系统或ABS和ESP模块。
但压入技术（压接技术）并非总是适用，例如当需要对印刷电路板进行双面组装，或者无法在受力方向上保持与元器件的最小间距时。此时，建立连接器（连接器）与印刷电路板之间可靠且持久的连接的另一种方法是表面贴装技术（SMT）。 在此过程中，通过使用焊膏（焊膏），将连接器（连接器）焊接到电路板上预定的焊盘上。只有在所谓的回流焊炉（回流炉）中，焊料才会被熔化并随后固化。 通过SMT，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标准：首先，要符合IPC-A-610标准的焊点，必须保持焊脚、焊盘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中的故障。最佳的焊接连接可通过均匀的焊料凹面形成来识别。接触点必须被焊料凹面完全包围，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。如果所有这些条件都得到满足，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（连接器）还配备了板锁（Boardlocks）。所谓板锁，是指固定在绝缘体（绝缘体）上并同样焊接在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器的稳定性。
影响因素 容差范围
连接器的公差范围对其可靠性评估起着决定性作用。如果连接器无法补偿给定的公差，机械运动会导致磨损，甚至损坏连接。在安装过程中，导入倒角可提供辅助，确保刀片式和母连接器（弹簧排）的插接不会造成损坏。 然而，即使在插接状态下，也必须补偿微小位移。这可通过触点和绝缘体的几何结构来实现。如果连接器（连接器）具备浮动（浮动-Funktion）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，它起着决定性作用。 但在实际应用中，所产生的应力不仅存在于x和y方向，还存在于z方向（图12）。
这里涉及连接器的“有效插合长度”（插接安全性）问题。它描述了刀片和母连接器之间的重叠区域，不仅允许不同的板间距，而且——根据该区域的大小——还允许公差范围（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，电缆的长度决定了连接器的公差范围。
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，电缆的长度决定了连接器的公差范围。
测试方法
为了对连接器（连接器）的坚固性进行全面测试，采用了多种测试方法。在此过程中，会分别考察耐压强度（耐电压）和接触电阻（接触电阻）等参数在应力测试前后的变化情况，并对触点状态进行目视检查。 例如，可以通过测试500次插拔循环（插拔次数）来评估其对耐压强度（耐电压）的影响；或者通过气候试验（气候试验），验证在先于-55°C、随后升至125°C的环境中持续数小时，是否会对连接器的接触电阻（接触电阻）产生负面影响。 在温度冲击测试中，连接器必须承受在这两种极端温度之间快速切换的考验，共100次，每次持续30分钟。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，不应仅在CAD模型上进行理论验证，还应通过实践进行充分测试，并实证确认其承载能力。 同样重要的是，应将对接触面（接触表面）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（插拔次数-）测试与混合流动气体试验（Schadgas）测试结合进行，以确保连接器在接触电阻（接触电阻）和耐压强度（耐电压）方面的性能未发生劣化，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（连接器）必须满足不同的坚固性标准。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以这些问题为依据，就可以确信其连接器已为现场应用做好了充分准备。