電連接器的工藝選型

時間：2020-07-13 10:22:44

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[導(dǎo)讀]一、電連接器的概念及簡介電連接器是各類電氣、電子系統(tǒng)不可缺少的電子元器件，廣泛用于航天、航空、核工業(yè)、兵器、艦船、電子、交通、計算機、通信、醫(yī)療、石油勘探等行業(yè)。電連接器作為電信號傳輸系統(tǒng)的“神經(jīng)樞紐與接點”，在電路中起著電信號傳輸?shù)年P(guān)鍵

一、電連接器的概念及簡介

電連接器是各類電氣、電子系統(tǒng)不可缺少的電子元器件，廣泛用于航天、航空、核工業(yè)、兵器、艦船、電子、交通、計算機、通信、醫(yī)療、石油勘探等行業(yè)。電連接器作為電信號傳輸系統(tǒng)的“神經(jīng)樞紐與接點”，在電路中起著電信號傳輸?shù)年P(guān)鍵橋梁作用，其品質(zhì)直接影響產(chǎn)品的性能與質(zhì)量。

1.1 電連接器的定義

電連接器主要用于電氣、電子設(shè)備的電纜線與電纜線、電纜線與設(shè)備之間的電路連接，實現(xiàn)低頻信號、高頻信號及電能（功率）的傳輸。電連接器由固定電連接器和自由端電連接器兩部分組成。固定電連接器是安裝在面板和底座（或不安裝）的被動連接部分，又稱為插座；自由端電連接器是帶有連接螺母或其他鎖緊裝置的主動連接部分，與固定端電連接器相配合，又稱為插頭。電連接器通過插頭與插座之間的插合和分離，使電路接通和斷開。

電連接器由殼體、絕緣體、接觸體三大基本單元組成。

（1）殼體

電連接器殼體由插頭/插座的外殼、連接螺帽、尾部附件組成，各部分的作用是：

① 外殼：用于保護絕緣體和接觸體（插針插孔的通稱）等電連接器內(nèi)部零件不被損傷。殼體上通常設(shè)置定位鍵槽，以保證插頭與插座定位。殼體還具有一定的電磁屏蔽作用。殼體一般采用鋁合金加工（機加、冷擠壓、壓鑄）而成。鋼殼體多用于玻璃封焊和耐高溫電連接器。

② 連接螺帽：用于插頭、插座連接和分離。

③ 尾部附件：用于保護導(dǎo)線與接觸體端接觸不受損傷并用于固定電纜。

（2）絕緣體

由裝插針絕緣體、裝插孔絕緣體、界面封嚴體、封線體等組成，各部分的作用是：

① 裝插針絕緣體、裝插孔絕緣體：用于保持插針/插孔在設(shè)定位置上，并使各個接觸體之間及各接觸體與殼體之間相互電氣絕緣。

② 界面封嚴體、封線體：通過絕緣體加界面取得封嚴措施，以提高電連接器的耐環(huán)境性能。

為適應(yīng)產(chǎn)品的耐高溫/低溫，阻燃，保證零件幾何尺寸穩(wěn)定可靠，絕緣體大都采用熱固塑料模塑成型，界面封嚴體、封線體采用硅橡膠模壓等成型。

（3）接觸體

接觸體包括陽接觸體與陰接觸體，有時也稱插針/插孔，連接方式分為焊接式、壓接式、壓入式和繞接式等，用以實現(xiàn)電路連接。

① 插針/插孔是電連接器的關(guān)鍵元件，它直接影響著電連接器的可靠性。

② 插針/插孔大多采用導(dǎo)電性能良好的彈性銅合金材料機加而成，表面采用鍍銀、鍍金達到接觸電阻小及防腐蝕的目的。

③ 插孔一般有劈槽式插孔、線簧插孔、冠簧插孔與沖制插孔等類型。

1.2 電連接器的分類及簡介

電連接器的分類方法很多，下面進行簡單介紹。

（1）按結(jié)構(gòu)分類

電連接器按結(jié)構(gòu)可分為簡單電連接器和復(fù)雜電連接器。簡單電連接器可僅由數(shù)個零件組成；復(fù)雜電連接器則可由上百個零件、幾百個接點組成，集電、磁、氣（液、光）、機械于一體。

（2）按使用場合分類

電連接器按使用場合可分為用于一般信號傳輸?shù)耐ㄓ秒娺B接器，用于飛行器級與級之間或飛行器與地面設(shè)備之間進行分離的分離脫落電連接器，用于特殊環(huán)境的耐高溫、耐超低溫、耐火焰、耐深水、濾波、抗輻射加固等的專用電連接器。

（3）按質(zhì)量等級分類

電連接器按質(zhì)量等級可分為普通民用電連接器和適用于特殊應(yīng)用場合的軍用電連接器。其中，軍用電連接器種類繁多，代表了電連接器設(shè)計制造技術(shù)（質(zhì)量與可靠性）的最高水平。

軍用電連接器具有以下特點。

① 結(jié)構(gòu)各異：為滿足型號、產(chǎn)品需要而量身定制的特殊尺寸或增加附件。

② 功能不同：根據(jù)型號、產(chǎn)品需要，須滿足特定環(huán)境條件等，甚至極端惡劣條件的使用要求。

③ 環(huán)境適應(yīng)性要求高：特殊的軍事環(huán)境包括抗腐蝕性、耐潮性、高加速度、沖擊和振動、高低溫、低氣壓、防沙塵、防霉菌、防火焰、絕緣材料真空釋氣等。

為適應(yīng)新一代軍用電子設(shè)備高性能、高可靠的要求，電連接器正在向小型化、高密度、模塊化、輕質(zhì)化、多功能、高可靠、長壽命、抗電磁干擾等方向發(fā)展，并在積極開發(fā)光纖電連接器和表面安裝電連接器等。

電連接器還可根據(jù)外形、固定方式、使用頻率、插頭連接方式等進行劃分。

電連接器常見分類及特點如表1所示。

表1 常見電連接器常見分類及特點

1.3 電連接器的命名（標志）

對于電連接器型號的命名方法，不同行業(yè)、不同公司/企業(yè)，不同的電連接器類型，都會有不同的規(guī)定。因此，對某一電連接器型號標志的識別，須參閱該電連接器的總規(guī)范、詳細規(guī)范、企業(yè)樣本、產(chǎn)品說明書中有關(guān)“型號標志方法”的詳細說明。

以下是幾種不同規(guī)定下電連接器的命名方法舉例。

（1）按GJB 600螺紋連接圓形電連接器標志示例

（2）按GJB 599A《耐環(huán)境快速分離高密度小圓形電連接器》標志示例

（3）成套電連接器型號、標志示例

產(chǎn)品名稱：J7耐環(huán)境線簧孔矩形電連接器。

（4）單獨電連接器插頭型號標志示例

產(chǎn)品名稱：J7矩形自由端電連接器（插頭）。

（5）單獨電連接器插座型號標志示例

產(chǎn)品名稱：J7矩形固定電連接器（插座）。

1.4 電連接器適用標準

電連接器的設(shè)計制造應(yīng)滿足相關(guān)的標準，這些標準對電連接器的名詞術(shù)語、標志、可靠性、接觸件和附件、壓接、試驗、包裝、運輸、表面粗糙度、形位公差、螺紋等方面的要求做出了規(guī)定。

電連接器常用引用標準如表2所示（僅供參考）。

表2 電連接器常用引用標準

上述標準可劃分為三級，即國家標準（GB、GJB）、行業(yè)標準、企業(yè)標準。原則上國家標準和軍用標準是國家/軍用電連接器執(zhí)行的最高標準。但某些情況下，部分企業(yè)參照國外先進軍用標準或類似的電連接器國家/軍用標準、行業(yè)標準，制定出在某些方面高于國家標準和軍用標準的企業(yè)標準。

二、電連接器工藝選型要求

2.1 選用原則

在選擇電連接器時，可根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的電子設(shè)備要求和實際情況，對選擇的電連接器執(zhí)行適當?shù)臉藴?。電連接器選擇的一般原則是：

① 高的互換性，同一型號、品種、規(guī)格，同批次或不同批次的電連接器，其插頭與插座應(yīng)能互相插合，并達到要求的電氣、機械等性能。

② 應(yīng)具有良好的操作觸感，操作動作感覺舒適圓滑。

③ 應(yīng)具有防誤插功能。

④ 應(yīng)具有可靠的鎖緊防松機構(gòu)。

⑤ 應(yīng)具有較高的安全性，如絕緣電阻和耐電壓要足夠高。

⑥ 應(yīng)具有較高的耐過負荷能力。

⑦ 應(yīng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

⑧ 應(yīng)具有較高良好的耐環(huán)境條件影響。

2.2 功能選擇

電連接器的最主要任務(wù)就是完成應(yīng)用系統(tǒng)電子設(shè)備電路中電信號或電能的有效傳輸功能，因此選擇連接器時最主要的任務(wù)是功能選擇。

連接器的功能選擇必須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)所執(zhí)行的任務(wù)要求，選擇與應(yīng)用系統(tǒng)電子設(shè)備相匹配的連接可靠、使用方便、環(huán)境適應(yīng)性符合要求的電連接器。

2.3 參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式選擇

電連接器的參數(shù)及結(jié)構(gòu)選擇，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)電子設(shè)備的使用要求進行。

電連接器參數(shù)及結(jié)構(gòu)選擇要素如表3所示。

表3 電連接器參數(shù)及結(jié)構(gòu)選擇要素

1．電氣參數(shù)選擇

電連接器作為機電元件，選用時必須優(yōu)先考慮電氣參數(shù)。

選擇電連接器時主要考慮的電氣參數(shù)如下所述。

（1）額定電壓

額定電壓又稱工作電壓，它主要取決于電連接器所使用的絕緣材料及接觸對的間距。電連接器的額定電壓應(yīng)理解為生產(chǎn)廠推薦的最高工作電壓。原則上，電連接器在低于額定電壓下都能正常工作。應(yīng)根據(jù)電連接器的耐壓（抗電強度）指標，按照使用環(huán)境、安全等級要求來合理選用額定電壓。

值得注意的是：相同的耐壓指標，根據(jù)不同的使用環(huán)境和安全要求，額定電壓是不同的。

（2）額定電流

額定電流又稱工作電流。在電連接器的設(shè)計過程中，是通過對電連接器的熱設(shè)計來滿足額定電流要求的，因為在接觸對有電流流過時，由于存在導(dǎo)體電阻和接觸電阻，接觸對將會發(fā)熱。當其發(fā)熱超過一定限度時，將破壞電連接器的絕緣或形成接觸對表面鍍層的軟化，造成故障。

同額定電壓一樣，原則上，電連接器在低于額定電流情況下都能正常工作。但需要特別注意的是，對多芯電連接器而言，額定電流必須降額使用（在大電流的場合更應(yīng)引起重視），芯數(shù)越多，降額幅度越大。

不同芯數(shù)電連接器接觸件額定電流與實際承載電流的對應(yīng)關(guān)系，如表4所示。

表4 接觸件額定電流與實際承載電流的對應(yīng)關(guān)系

（3）接觸電阻

接觸電阻是指兩個接觸導(dǎo)體在接觸部分產(chǎn)生的電阻。在選用時要注意兩個問題：

① 電連接器的接觸電阻指標事實上是“接觸對”電阻，它包括接觸電阻和接觸對導(dǎo)體電阻，由于一般情況下導(dǎo)體電阻較?。ɑ究珊雎裕?，因此“接觸對”電阻在很多技術(shù)規(guī)范中被稱為接觸電阻。

② 在連接小信號的電路中，要注意給出的接觸電阻指標是在什么條件下測試的。因為接觸表面間可能會附著氧化層、油污或其他污染物（統(tǒng)稱為“膜層”），進而產(chǎn)生膜層電阻，而膜層在高接觸壓力下會發(fā)生機械刺穿，或在高電壓、大電流下會發(fā)生電擊穿，擊穿后，膜電阻為零（相當于沒有膜電阻）。換句話說，如果測試方法不當，發(fā)生了機械刺穿（測試表筆壓力過大）或電擊穿（測試電壓、電流過大），則測試的結(jié)果是不準確的（相當于漏測了膜層電阻）。在實際使用時，對某些小體積的電連接器設(shè)計的接觸壓力相當小，僅為mA和mV級，膜層電阻是不易被刺穿和擊穿的，實際的接觸電阻會比測量值（測試方法不當）偏大，這個偏差可能會影響電信號的傳輸。

（4）電磁屏蔽性

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，元器件的密度日益增大，它們之間相關(guān)功能的日益增多，對電磁干擾提出了嚴格的限制。所以電連接器往往用金屬殼體封閉起來，以阻止內(nèi)部電磁能輻射或受到外界電磁場的干擾。在低頻時，只有磁性材料才能對磁場起明顯的屏蔽作用。此時，對金屬外殼的電連續(xù)性有一定的規(guī)定，也就是外殼接觸電阻。這是選擇電磁屏蔽性最直觀的參考指標。

2．機械參數(shù)選擇

電連接器作為機電元件，選用時還須考慮機械性能。選擇電連接器時主要考慮的機械要素如下所述。

（1）振動、沖擊、碰撞

電連接器的抗振動/沖擊性能主要看電連接器在規(guī)定頻率和加速度條件下振動、沖擊、碰撞時的接觸對的電連續(xù)性。因為，接觸對在動態(tài)應(yīng)力情況下會發(fā)生瞬時斷路現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電路系統(tǒng)出現(xiàn)關(guān)停、重啟、丟失信號等故障。

規(guī)定的瞬斷時間一般有1μs、10μs、100μs、1ms和10ms。要注意的是如何判斷接觸對發(fā)生瞬斷故障。當前認為，當閉合接觸對（觸點）兩端電壓降超過電源電動勢的50%時，可判定閉合接觸對（觸點）發(fā)生故障。也就是說，判斷是否發(fā)生瞬斷有兩個條件：持續(xù)時間和電壓降，兩者缺一不可。

（2）機械壽命

連接器的機械壽命是指插拔壽命，通常規(guī)定為500～1000次。在達到此規(guī)定的機械壽命前，連接器的接觸電阻、絕緣電阻和耐壓等指標不應(yīng)超過規(guī)定的值。嚴格地說，機械壽命應(yīng)該與時間有一定的關(guān)系，10年用完500次與1年用完500次，結(jié)果顯然是不同的。

（3）分離力

電連接器的總分離力與單個接觸對分離力及接觸對數(shù)目有關(guān)。接觸對數(shù)目越多，其接觸面積就越大，摩擦力（總分離力）也就越大。在某些可靠性要求高、而體積又允許的應(yīng)用場合，可采用兩對接觸對并聯(lián)的方法來提高連接的可靠性。

3．環(huán)境參數(shù)選擇

影響電連接器性能的環(huán)境參數(shù)主要包括潮濕、霉菌、鹽霧、風沙、蟻食鼠咬等。環(huán)境參數(shù)的選擇應(yīng)以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的使用環(huán)境為原則。

4．安全參數(shù)選擇

（1）絕緣電阻

絕緣電阻是指在電連接器的絕緣部分施加電壓，當絕緣部分的表面內(nèi)或表面上產(chǎn)生漏電流而呈現(xiàn)出的電阻值。它主要受絕緣材料、溫度、濕度、污損等因素的影響。需要注意的是：

① 電連接器的絕緣電阻值一般都是在標準大氣條件下的指標值，在某些環(huán)境條件下，絕緣電阻值會有不用程度的下降。

② 與接觸電阻一樣，絕緣電阻的指標也與測試條件有關(guān)（絕緣電阻（M?）=加在絕緣體上的電壓（V）/泄漏電流（μA））。施加不同的電壓，就有不同的結(jié)果。

（2）耐電壓

耐電壓是指接觸對的相互絕緣部分之間或絕緣部分與接地之間，在規(guī)定時間內(nèi)所能承受的比額定電壓高而不產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象的臨界電壓。它主要受接觸對間距、爬電距離、幾何形狀、絕緣體材料及環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力的影響。

5．端接方式選擇

由于壓接具有更小的接觸電阻、更高的連接強度且耐高溫使用，在條件允許的情況下，應(yīng)作為首選方式。其次可采用焊接方式。在高可靠性要求產(chǎn)品中不推薦選用繞接和刺破式連接。

6．連接、鎖緊方式選擇

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，插頭和插座的連接方式很多。對圓形電連接器來說，主要有螺紋式連接、卡口式連接和彈子式連接三種方式。具體選用時，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品使用要求和成本進行綜合考慮。

三種連接、鎖緊方式的優(yōu)、缺點如下：

① 螺紋式連接方式最為常見，它具有加工工藝簡單、制造成本低、適用范圍廣等優(yōu)點，但連接速度較慢，不適宜于需頻繁插拔和快速接連的場合。

② 卡口式連接方式由于其三條卡口槽的導(dǎo)程較長，因此連接速度較快，但它制造較復(fù)雜，成本較高。

③ 彈子式連接是三種連接方式中連接速度最快的一種，它不需進行旋轉(zhuǎn)運動，只需進行直線運動就能實現(xiàn)連接、分離和鎖緊的功能，僅適用于總分離力不大的電連接器。

7．尾部附件形式選擇

尾部附件形式的選擇，應(yīng)考慮導(dǎo)線電纜束的類型、外徑及設(shè)備操作空間等因素。以導(dǎo)線束、接觸對、導(dǎo)線束與接觸對結(jié)合部盡量不受應(yīng)力為宜。

2.4 質(zhì)量等級選擇

電連接器的質(zhì)量等級代表了電連接器性能指標的不同及性能指標是否穩(wěn)定、可靠。一般情況下質(zhì)量等級越高的產(chǎn)品其價格也越高，選用時應(yīng)與應(yīng)用系統(tǒng)本身的性能和質(zhì)量要求相匹配。

按照GJB/Z 299B—1998《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》的規(guī)定，電連接器質(zhì)量等級可分為A1級、A2級、B1級、B2級和C級。電連接器質(zhì)量等級劃分如表5所示。

表5 電連接器質(zhì)量等級劃分

對于航天產(chǎn)品用電連接器，按照航天型號電子元器件選用目錄（電連接器部分）及有關(guān)軍用電連接器標記規(guī)定，電連接器的質(zhì)量等級可分為級、J級、Q/J級，電連接器質(zhì)量等級劃分（軍用/航天）如表6所示。

表6電連接器質(zhì)量等級劃分（軍用/航天）

2.5 型號、品種、規(guī)格選擇

電連接器型號、品種、規(guī)格的選擇主要應(yīng)與應(yīng)用系統(tǒng)的使用要求相匹配，在滿足要求的基礎(chǔ)上，盡量壓縮型號、品種和規(guī)格的數(shù)量，以提高經(jīng)濟性。在具體選擇時應(yīng)以經(jīng)過有關(guān)權(quán)威機構(gòu)認證的《軍用電子元器件合格產(chǎn)品目錄》（QPL）和《航天電子元器件產(chǎn)品手冊》（電連接器部分）等為指導(dǎo)。

2.6 供貨單位選擇

優(yōu)先選用本單位的合格供方名錄內(nèi)的生產(chǎn)廠家。

① 選用前，一般需由選用單位（用戶）對生產(chǎn)廠家、單位進行資質(zhì)現(xiàn)場考查（包括第三方質(zhì)量保證體系認證）。合格后方可委托其研制、生產(chǎn)。

② 對于高等級軍用電連接器供貨單位的選擇，原則上應(yīng)盡量選擇軍用電連接器《合格制造廠目錄》（QML）中所列的電連接器生產(chǎn)廠家、單位，以確保電連接器的質(zhì)量和可靠性。

三、電連接器選用案例

以圓形連接器選用為例。

（1）型號、品種、規(guī)格及供貨單位選擇

優(yōu)先選用已設(shè)計定型的連接可靠、使用方便、性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)合理的系列型譜電連接器。特別是符合國軍標的系列產(chǎn)品，此類電連接器成系列開發(fā)，品種規(guī)格多、覆蓋面廣、技術(shù)成熟、質(zhì)量等級高、綜合性能好，能滿足使用者的多種需求，具體包括：

① 825廠生產(chǎn)的Y11、Y16、Y23、Y31、J599系列電連接器；

② 796廠生產(chǎn)的YB系列電連接器；

③ 158廠生產(chǎn)的XC系列電連接器；

④ 693廠生產(chǎn)的Y27系列電連接器。

（2）參數(shù)的選擇

① 根據(jù)所需傳輸電路的要求確定電連接器的芯數(shù)。

② 根據(jù)實際使用需求，確定電連接器的工作電壓、工作電流（額定電流），及相關(guān)的電氣性能（接觸電阻、絕緣電阻、耐電壓等），同時考慮電連接器是否須有抗干擾要求。

③ 根據(jù)電連接器所處系統(tǒng)的機械環(huán)境指標和可靠性要求（允許的瞬時短路時間），確定電連接器的振動、沖擊、碰撞、加速度（離心）等指標要求。

④ 為保證電連接器的使用可靠性，在選用電連接器時，應(yīng)考慮產(chǎn)品的質(zhì)量等級。

⑤ 根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的使用場合和拔插次數(shù)確定機械壽命。

⑥ 根據(jù)電連接器使用的場合、插拔的頻次及是否需要快速插拔來確定電連接器的連接方式。

⑦ 根據(jù)使用空間的大小，選擇合適外形的電連接器，同時兼顧電連接器的電氣性能。因選用體積越小的電連接器，其接觸件之間的間距越小，在采用同樣的絕緣材料的前提下，電連接器的電氣性能會隨著間距的減小而降低。