可靠性杂坛|电连接器的工艺选型
一、电连接器的概念及简介
电连接器是各类电气、电子系统不可缺少的电子元器件 ， 广泛用于航天、航空、核工业、兵器、舰船、电子、交通、计算机、通信、医疗、石油勘探等行业 。 电连接器作为电信号传输系统的“神经枢纽与接点” ， 在电路中起着电信号传输的关键桥梁作用 ， 其品质直接影响产品的性能与质量 。
1．1电连接器的定义
电连接器主要用于电气、电子设备的电缆线与电缆线、电缆线与设备之间的电路连接 ， 实现低频信号、高频信号及电能（功率）的传输 。 电连接器由固定电连接器和自由端电连接器两部分组成 。 固定电连接器是安装在面板和底座（或不安装）的被动连接部分 ， 又称为插座；自由端电连接器是带有连接螺母或其他锁紧装置的主动连接部分 ， 与固定端电连接器相配合 ， 又称为插头 。 电连接器通过插头与插座之间的插合和分离 ， 使电路接通和断开 。
电连接器由壳体、绝缘体、接触体三大基本单元组成 。
（1）壳体
电连接器壳体由插头／插座的外壳、连接螺帽、尾部附件组成 ， 各部分的作用是：
①外壳：用于保护绝缘体和接触体（插针插孔的通称）等电连接器内部零件不被损伤 。 壳体上通常设置定位键槽 ， 以保证插头与插座定位 。 壳体还具有一定的电磁屏蔽作用 。 壳体一般采用铝合金加工（机加、冷挤压、压铸）而成 。 钢壳体多用于玻璃封焊和耐高温电连接器 。
②连接螺帽：用于插头、插座连接和分离 。
③尾部附件：用于保护导线与接触体端接触不受损伤并用于固定电缆 。
（2）绝缘体
由装插针绝缘体、装插孔绝缘体、界面封严体、封线体等组成 ， 各部分的作用是：
①装插针绝缘体、装插孔绝缘体：用于保持插针／插孔在设定位置上 ， 并使各个接触体之间及各接触体与壳体之间相互电气绝缘 。
②界面封严体、封线体：通过绝缘体加界面取得封严措施 ， 以提高电连接器的耐环境性能 。
为适应产品的耐高温／低温 ， 阻燃 ， 保证零件几何尺寸稳定可靠 ， 绝缘体大都采用热固塑料模塑成型 ， 界面封严体、封线体采用硅橡胶模压等成型 。
（3）接触体
接触体包括阳接触体与阴接触体 ， 有时也称插针／插孔 ， 连接方式分为焊接式、压接式、压入式和绕接式等 ， 用以实现电路连接 。
①插针／插孔是电连接器的关键元件 ， 它直接影响着电连接器的可靠性 。
②插针／插孔大多采用导电性能良好的弹性铜合金材料机加而成 ， 表面采用镀银、镀金达到接触电阻小及防腐蚀的目的 。
③插孔一般有劈槽式插孔、线簧插孔、冠簧插孔与冲制插孔等类型 。
1．2电连接器的分类及简介
电连接器的分类方法很多 ， 下面进行简单介绍 。
（1）按结构分类
电连接器按结构可分为简单电连接器和复杂电连接器 。 简单电连接器可仅由数个零件组成；复杂电连接器则可由上百个零件、几百个接点组成 ， 集电、磁、气（液、光）、机械于一体 。
（2）按使用场合分类
电连接器按使用场合可分为用于一般信号传输的通用电连接器 ， 用于飞行器级与级之间或飞行器与地面设备之间进行分离的分离脱落电连接器 ， 用于特殊环境的耐高温、耐超低温、耐火焰、耐深水、滤波、抗辐射加固等的专用电连接器 。
（3）按质量等级分类
电连接器按质量等级可分为普通民用电连接器和适用于特殊应用场合的军用电连接器 。 其中 ， 军用电连接器种类繁多 ， 代表了电连接器设计制造技术（质量与可靠性）的最高水平 。
军用电连接器具有以下特点 。
①结构各异：为满足型号、产品需要而量身定制的特殊尺寸或增加附件 。
②功能不同：根据型号、产品需要 ， 须满足特定环境条件等 ， 甚至极端恶劣条件的使用要求 。
③环境适应性要求高：特殊的军事环境包括抗腐蚀性、耐潮性、高加速度、冲击和振动、高低温、低气压、防沙尘、防霉菌、防火焰、绝缘材料真空释气等 。
为适应新一代军用电子设备高性能、高可靠的要求 ， 电连接器正在向小型化、高密度、模块化、轻质化、多功能、高可靠、长寿命、抗电磁干扰等方向发展 ， 并在积极开发光纤电连接器和表面安装电连接器等 。
电连接器还可根据外形、固定方式、使用频率、插头连接方式等进行划分 。
电连接器常见分类及特点如表1所示 。
表1常见电连接器常见分类及特点
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1．3电连接器的命名（标志）
对于电连接器型号的命名方法 ， 不同行业、不同公司／企业 ， 不同的电连接器类型 ， 都会有不同的规定 。 因此 ， 对某一电连接器型号标志的识别 ， 须参阅该电连接器的总规范、详细规范、企业样本、产品说明书中有关“型号标志方法”的详细说明 。
以下是几种不同规定下电连接器的命名方法举例 。
（1）按GJB600螺纹连接圆形电连接器标志示例
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（2）按GJB599A《耐环境快速分离高密度小圆形电连接器》标志示例
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（3）成套电连接器型号、标志示例
产品名称：J7耐环境线簧孔矩形电连接器 。
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（4）单独电连接器插头型号标志示例
产品名称：J7矩形自由端电连接器（插头） 。
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（5）单独电连接器插座型号标志示例
产品名称：J7矩形固定电连接器（插座） 。
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1．4电连接器适用标准
电连接器的设计制造应满足相关的标准 ， 这些标准对电连接器的名词术语、标志、可靠性、接触件和附件、压接、试验、包装、运输、表面粗糙度、形位公差、螺纹等方面的要求做出了规定 。
电连接器常用引用标准如表2所示（仅供参考） 。
表2电连接器常用引用标准
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上述标准可划分为三级 ， 即国家标准（GB、GJB）、行业标准、企业标准 。 原则上国家标准和军用标准是国家／军用电连接器执行的最高标准 。 但某些情况下 ， 部分企业参照国外先进军用标准或类似的电连接器国家／军用标准、行业标准 ， 制定出在某些方面高于国家标准和军用标准的企业标准 。
二、电连接器工艺选型要求
2．1选用原则
在选择电连接器时 ， 可根据应用系统的电子设备要求和实际情况 ， 对选择的电连接器执行适当的标准 。 电连接器选择的一般原则是：
①高的互换性 ， 同一型号、品种、规格 ， 同批次或不同批次的电连接器 ， 其插头与插座应能互相插合 ， 并达到要求的电气、机械等性能 。
②应具有良好的操作触感 ， 操作动作感觉舒适圆滑 。
③应具有防误插功能 。
④应具有可靠的锁紧防松机构 。
⑤应具有较高的安全性 ， 如绝缘电阻和耐电压要足够高 。
⑥应具有较高的耐过负荷能力 。
⑦应具有较高的可靠性和稳定性 。
⑧应具有较高良好的耐环境条件影响 。
2．2功能选择
电连接器的最主要任务就是完成应用系统电子设备电路中电信号或电能的有效传输功能 ， 因此选择连接器时最主要的任务是功能选择 。
连接器的功能选择必须根据应用系统所执行的任务要求 ， 选择与应用系统电子设备相匹配的连接可靠、使用方便、环境适应性符合要求的电连接器 。
2．3参数及结构形式选择
电连接器的参数及结构选择 ， 应根据应用系统电子设备的使用要求进行 。
电连接器参数及结构选择要素如表3所示 。
表3电连接器参数及结构选择要素
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1．电气参数选择
电连接器作为机电元件 ， 选用时必须优先考虑电气参数 。
选择电连接器时主要考虑的电气参数如下所述 。
（1）额定电压
额定电压又称工作电压 ， 它主要取决于电连接器所使用的绝缘材料及接触对的间距 。 电连接器的额定电压应理解为生产厂推荐的最高工作电压 。 原则上 ， 电连接器在低于额定电压下都能正常工作 。 应根据电连接器的耐压（抗电强度）指标 ， 按照使用环境、安全等级要求来合理选用额定电压 。
值得注意的是：相同的耐压指标 ， 根据不同的使用环境和安全要求 ， 额定电压是不同的 。
（2）额定电流
额定电流又称工作电流 。 在电连接器的设计过程中 ， 是通过对电连接器的热设计来满足额定电流要求的 ， 因为在接触对有电流流过时 ， 由于存在导体电阻和接触电阻 ， 接触对将会发热 。 当其发热超过一定限度时 ， 将破坏电连接器的绝缘或形成接触对表面镀层的软化 ， 造成故障 。
同额定电压一样 ， 原则上 ， 电连接器在低于额定电流情况下都能正常工作 。 但需要特别注意的是 ， 对多芯电连接器而言 ， 额定电流必须降额使用（在大电流的场合更应引起重视） ， 芯数越多 ， 降额幅度越大 。
不同芯数电连接器接触件额定电流与实际承载电流的对应关系 ， 如表4所示 。
表4接触件额定电流与实际承载电流的对应关系
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【可靠性杂坛|电连接器的工艺选型】
（3）接触电阻
接触电阻是指两个接触导体在接触部分产生的电阻 。 在选用时要注意两个问题：
①电连接器的接触电阻指标事实上是“接触对”电阻 ， 它包括接触电阻和接触对导体电阻 ， 由于一般情况下导体电阻较小（基本可忽略） ， 因此“接触对”电阻在很多技术规范中被称为接触电阻 。
②在连接小信号的电路中 ， 要注意给出的接触电阻指标是在什么条件下测试的 。 因为接触表面间可能会附着氧化层、油污或其他污染物（统称为“膜层”） ， 进而产生膜层电阻 ， 而膜层在高接触压力下会发生机械刺穿 ， 或在高电压、大电流下会发生电击穿 ， 击穿后 ， 膜电阻为零（相当于没有膜电阻） 。 换句话说 ， 如果测试方法不当 ， 发生了机械刺穿（测试表笔压力过大）或电击穿（测试电压、电流过大） ， 则测试的结果是不准确的（相当于漏测了膜层电阻） 。 在实际使用时 ， 对某些小体积的电连接器设计的接触压力相当小 ， 仅为mA和mV级 ， 膜层电阻是不易被刺穿和击穿的 ， 实际的接触电阻会比测量值（测试方法不当）偏大 ， 这个偏差可能会影响电信号的传输 。
（4）电磁屏蔽性
在现代电子产品中 ， 元器件的密度日益增大 ， 它们之间相关功能的日益增多 ， 对电磁干扰提出了严格的限制 。 所以电连接器往往用金属壳体封闭起来 ， 以阻止内部电磁能辐射或受到外界电磁场的干扰 。 在低频时 ， 只有磁性材料才能对磁场起明显的屏蔽作用 。 此时 ， 对金属外壳的电连续性有一定的规定 ， 也就是外壳接触电阻 。 这是选择电磁屏蔽性最直观的参考指标 。
2．机械参数选择
电连接器作为机电元件 ， 选用时还须考虑机械性能 。 选择电连接器时主要考虑的机械要素如下所述 。
（1）振动、冲击、碰撞
电连接器的抗振动／冲击性能主要看电连接器在规定频率和加速度条件下振动、冲击、碰撞时的接触对的电连续性 。 因为 ， 接触对在动态应力情况下会发生瞬时断路现象 ， 从而导致电路系统出现关停、重启、丢失信号等故障 。
规定的瞬断时间一般有1μs、10μs、100μs、1ms和10ms 。 要注意的是如何判断接触对发生瞬断故障 。 当前认为 ， 当闭合接触对（触点）两端电压降超过电源电动势的50％时 ， 可判定闭合接触对（触点）发生故障 。 也就是说 ， 判断是否发生瞬断有两个条件：持续时间和电压降 ， 两者缺一不可 。
（2）机械寿命
连接器的机械寿命是指插拔寿命 ， 通常规定为500～1000次 。 在达到此规定的机械寿命前 ， 连接器的接触电阻、绝缘电阻和耐压等指标不应超过规定的值 。 严格地说 ， 机械寿命应该与时间有一定的关系 ， 10年用完500次与1年用完500次 ， 结果显然是不同的 。
（3）分离力
电连接器的总分离力与单个接触对分离力及接触对数目有关 。 接触对数目越多 ， 其接触面积就越大 ， 摩擦力（总分离力）也就越大 。 在某些可靠性要求高、而体积又允许的应用场合 ， 可采用两对接触对并联的方法来提高连接的可靠性 。
3．环境参数选择
影响电连接器性能的环境参数主要包括潮湿、霉菌、盐雾、风沙、蚁食鼠咬等 。 环境参数的选择应以满足应用系统的使用环境为原则 。
4．安全参数选择
（1）绝缘电阻
绝缘电阻是指在电连接器的绝缘部分施加电压 ， 当绝缘部分的表面内或表面上产生漏电流而呈现出的电阻值 。 它主要受绝缘材料、温度、湿度、污损等因素的影响 。 需要注意的是：
①电连接器的绝缘电阻值一般都是在标准大气条件下的指标值 ， 在某些环境条件下 ， 绝缘电阻值会有不用程度的下降 。
②与接触电阻一样 ， 绝缘电阻的指标也与测试条件有关（绝缘电阻（M？）＝加在绝缘体上的电压（V）／泄漏电流（μA）） 。 施加不同的电压 ， 就有不同的结果 。
（2）耐电压
耐电压是指接触对的相互绝缘部分之间或绝缘部分与接地之间 ， 在规定时间内所能承受的比额定电压高而不产生击穿现象的临界电压 。 它主要受接触对间距、爬电距离、几何形状、绝缘体材料及环境温度、湿度、大气压力的影响 。
5．端接方式选择
由于压接具有更小的接触电阻、更高的连接强度且耐高温使用 ， 在条件允许的情况下 ， 应作为首选方式 。 其次可采用焊接方式 。 在高可靠性要求产品中不推荐选用绕接和刺破式连接 。
6．连接、锁紧方式选择
根据结构的不同 ， 插头和插座的连接方式很多 。 对圆形电连接器来说 ， 主要有螺纹式连接、卡口式连接和弹子式连接三种方式 。 具体选用时 ， 应根据产品使用要求和成本进行综合考虑 。
三种连接、锁紧方式的优、缺点如下：
①螺纹式连接方式最为常见 ， 它具有加工工艺简单、制造成本低、适用范围广等优点 ， 但连接速度较慢 ， 不适宜于需频繁插拔和快速接连的场合 。
②卡口式连接方式由于其三条卡口槽的导程较长 ， 因此连接速度较快 ， 但它制造较复杂 ， 成本较高 。
③弹子式连接是三种连接方式中连接速度最快的一种 ， 它不需进行旋转运动 ， 只需进行直线运动就能实现连接、分离和锁紧的功能 ， 仅适用于总分离力不大的电连接器 。
7．尾部附件形式选择
尾部附件形式的选择 ， 应考虑导线电缆束的类型、外径及设备操作空间等因素 。 以导线束、接触对、导线束与接触对结合部尽量不受应力为宜 。
2．4质量等级选择
电连接器的质量等级代表了电连接器性能指标的不同及性能指标是否稳定、可靠 。 一般情况下质量等级越高的产品其价格也越高 ， 选用时应与应用系统本身的性能和质量要求相匹配 。
按照GJB／Z299B—1998《电子设备可靠性预计手册》的规定 ， 电连接器质量等级可分为A1级、A2级、B1级、B2级和C级 。 电连接器质量等级划分如表5所示 。
表5电连接器质量等级划分
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对于航天产品用电连接器 ， 按照航天型号电子元器件选用目录（电连接器部分）及有关军用电连接器标记规定 ， 电连接器的质量等级可分为级、J级、Q／J级 ， 电连接器质量等级划分（军用／航天）如表6所示 。
表6电连接器质量等级划分（军用／航天）
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2．5型号、品种、规格选择
电连接器型号、品种、规格的选择主要应与应用系统的使用要求相匹配 ， 在满足要求的基础上 ， 尽量压缩型号、品种和规格的数量 ， 以提高经济性 。 在具体选择时应以经过有关权威机构认证的《军用电子元器件合格产品目录》（QPL）和《航天电子元器件产品手册》（电连接器部分）等为指导 。
2．6供货单位选择
优先选用本单位的合格供方名录内的生产厂家 。
①选用前 ， 一般需由选用单位（用户）对生产厂家、单位进行资质现场考查（包括第三方质量保证体系认证） 。 合格后方可委托其研制、生产 。
②对于高等级军用电连接器供货单位的选择 ， 原则上应尽量选择军用电连接器《合格制造厂目录》（QML）中所列的电连接器生产厂家、单位 ， 以确保电连接器的质量和可靠性 。
三、电连接器选用案例
以圆形连接器选用为例 。
（1）型号、品种、规格及供货单位选择
优先选用已设计定型的连接可靠、使用方便、性能优良、结构合理的系列型谱电连接器 。 特别是符合国军标的系列产品 ， 此类电连接器成系列开发 ， 品种规格多、覆盖面广、技术成熟、质量等级高、综合性能好 ， 能满足使用者的多种需求 ， 具体包括：
①825厂生产的Y11、Y16、Y23、Y31、J599系列电连接器；
②796厂生产的YB系列电连接器；
③158厂生产的XC系列电连接器；
④693厂生产的Y27系列电连接器 。
（2）参数的选择
①根据所需传输电路的要求确定电连接器的芯数 。
②根据实际使用需求 ， 确定电连接器的工作电压、工作电流（额定电流） ， 及相关的电气性能（接触电阻、绝缘电阻、耐电压等） ， 同时考虑电连接器是否须有抗干扰要求 。
③根据电连接器所处系统的机械环境指标和可靠性要求（允许的瞬时短路时间） ， 确定电连接器的振动、冲击、碰撞、加速度（离心）等指标要求 。
④为保证电连接器的使用可靠性 ， 在选用电连接器时 ， 应考虑产品的质量等级 。
⑤根据应用系统的使用场合和拔插次数确定机械寿命 。
⑥根据电连接器使用的场合、插拔的频次及是否需要快速插拔来确定电连接器的连接方式 。
⑦根据使用空间的大小 ， 选择合适外形的电连接器 ， 同时兼顾电连接器的电气性能 。 因选用体积越小的电连接器 ， 其接触件之间的间距越小 ， 在采用同样的绝缘材料的前提下 ， 电连接器的电气性能会随着间距的减小而降低 。
⑧根据使用环境和单位的生产条件确定电连接器的端接方式 。
⑨没有任何限制或小尺寸多芯要求的电连接器优选压接 ， 其后是焊接、绕接 。
⑩根据电连接器的存储、运输条件和应用系统的使用环境确定电连接器的环境适用性指标 。
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