鄒 翔，彭清華

(鄭州航天電子技術(shù)有限公司，河南鄭州450066)

1 引言

國內(nèi)外巨大的互連產(chǎn)業(yè)市場促進了連接器行業(yè)的迅速發(fā)展。目前，國際上主要連接器公司在大力發(fā)展最新前沿技術(shù)，研制最新技術(shù)產(chǎn)品。本文通過對國際連接器行業(yè)產(chǎn)品和科研領(lǐng)域的調(diào)研，追蹤和分析國際連接器行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢，探討技術(shù)發(fā)展中存在的問題及解決方案，主要對高密度小型化、耐環(huán)境、信號完整性、智能連接等方面的最新技術(shù)成果和發(fā)展情況進行了介紹、分析和總結(jié)。

2 高密度小型化

半導(dǎo)體工藝的進步延長了摩爾定律的壽命。目前，集成電路的集成度已經(jīng)達到了22nm制程。作為電子設(shè)備中重要的一部分，電連接器也必然向高密度、小型化的方向發(fā)展。這種趨勢已經(jīng)體現(xiàn)在各種類型的電連接器產(chǎn)品上。

在軍用無人機領(lǐng)域，Glenair公司的80系列連接器是MIL－DTL－38999連接器的替代品。與同等密封38999連接器相比，質(zhì)量減輕61%，尺寸減小52%。采用金合金高可靠性接觸件，具有同等牢靠的電氣、機械和環(huán)境性能，非常適用于更小、更輕的無人機平臺。80系列連接器是一種在無人機上使用十分廣泛的一種成熟產(chǎn)品，使用80系列連接器的無人機包括“火力偵察兵”無人直升機、“捕食者”無人機等［1］。

圖1 Glenair80連接器(左)與38999標準連接器(右)對比圖

在消費電子領(lǐng)域，Molex公司的SlimStack 0.4系列連接器(0.4mm 間距，0.7mm 堆疊高度，2.5mm寬度)是業(yè)界最小的板對板連接器之一，非常適合手機等緊密封裝應(yīng)用。許多 SlimStack 0.4系列連接器可互插且針腳相容，無需更改印刷電路板模式即可實現(xiàn)各種堆疊高度。該系列連接器還包括防止焊劑侵入的鎳隔離鍍層、實現(xiàn)牢固插配的摩擦鎖、增強接觸可靠性的兩點式接觸設(shè)計等特性。

圖2 SlimStackTM0.4mm間距板對板連接器

目前，連接器最大的技術(shù)難點是在產(chǎn)品小型化前提下保證產(chǎn)品的可靠性，一些過去不曾出現(xiàn)的問題將變得越發(fā)重要。

例如，先進的表面安裝技術(shù)使連接器可以貼裝在PCB板兩面，極大地增大空間利用率，這就要求焊點必須提供結(jié)構(gòu)和電子功能。但是，當(dāng)連接器材料在較高溫度下長期使用時，焊料和金屬鍍層之間會形成金屬間化合物。以連接器中常用的銅和錫焊料為例，在錫鍍層和銅合金基體之前產(chǎn)生Cu3Sn化合物。同時，在此化合物表面形成了Cu6Sn5金屬間化合物。這種金屬間化合物在電流的作用下會快速生長，造成了明顯的機械應(yīng)力［2］。大量研究結(jié)果表明，當(dāng)金屬化合物層的厚度超過2μm時，兩種金屬的界面脆性顯著增大，并在擴散增重產(chǎn)生大量的裂紋和孔隙，從而對焊點的力學(xué)性能造成顯著影響，嚴重時會造成連接器脫落［3～6］。為了應(yīng)對這種現(xiàn)象，連接器廠家采取了某些PCB應(yīng)力消除方案，如焊錨或通孔回流針等。

此外，晶須現(xiàn)象也是十分重要的可靠性問題。環(huán)境法規(guī)禁止連接器端子鍍層含有鉛元素成分的規(guī)定使無鉛鍍層得到廣泛的使用。大部分無鉛鍍層都含有錫，而錫可以在表面自發(fā)形成一種須狀金屬纖維，即晶須。晶須的機械強度高，導(dǎo)電性好，在生長到一定長度后，會使接觸中心距過小的鍍錫端子會有短路的隱患［7］。晶須在高溫和硫化氫氣氛中生長速度很快。因此，錫和錫合金一般只在良好環(huán)境和中等溫度的電氣設(shè)施中使用。

3 耐環(huán)境

電連接器與其它電子元件不同，其可靠性不僅取決于其本身的材料、結(jié)構(gòu)與幾何尺寸等參數(shù)，更由于接觸點大多暴露在大氣中，大氣污染如塵土、腐蝕性氣體、濕度、溫度，都會直接影響連接可靠性。因此，連接器的好壞無法立刻判斷，至少需要上千小時的模擬環(huán)境試驗或數(shù)年的真實環(huán)境試驗，但國內(nèi)的公司很少有時間和財力開展這種耗資巨大的實驗［8］。這就導(dǎo)致了國內(nèi)部分廠家的產(chǎn)品看上去與國外先進產(chǎn)品相差無幾，但長期使用后卻暴露出各種問題。

外部環(huán)境引起的電連接器的常見失效機理繁多復(fù)雜，最常見的有以下幾個方面。

3.1 孔隙率

孔隙的實質(zhì)是鍍層金屬表面的空洞，空氣中的水蒸氣和/或其他物質(zhì)透過空洞和基體金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成絕緣的腐蝕產(chǎn)物。影響孔隙腐蝕的因素主要是鍍層孔隙率和環(huán)境濕度［2］。孔隙率高多是由底層金屬表面的粗糙區(qū)域和不成熟的鍍金工藝造成的［9］。此外，要電鍍的金屬表面的塵土也會形成孔隙，即使鍍層厚度增加到2.5μm這種孔隙依然存在［10］。環(huán)境濕度較大時，鍍層金屬和底層金屬之間的電化反應(yīng)加快，腐蝕產(chǎn)物在孔隙內(nèi)形成并擴散到鍍金層表面，嚴重時可導(dǎo)致鍍層脫落。

為了減輕孔隙腐蝕，可以用化學(xué)方法在金鍍層上形成一個薄的保護層。這種保護層不會降低接觸電阻，還可以隔絕空氣。研究發(fā)現(xiàn)即使只有0.1μm厚的金鍍層在經(jīng)過適當(dāng)處理后，都能達到厚鍍層的抗腐蝕效果［11］。此外，通過電鍍拋光降低表面粗糙度和提高電鍍工藝水平也是十分必要的。

3.2 微動磨損

實際使用中，電接觸界面會產(chǎn)生微小的往復(fù)運動。實驗表明，振幅在10－8cm量級就會產(chǎn)生微動磨損［12］。微動磨損使金屬表面的氧化膜發(fā)生破裂，未氧化的金屬暴露在環(huán)境中被氧化，而磨損碎屑的氧化和硬磨粒的形成將進一步破壞接觸表面，并最終在接觸表面之間形成一層厚的氧化絕緣層，嚴重時會造成連接器開路。人們普遍認為，微動是不超過125μm幅值的滑動，因為這種限幅運動不能清除積累的碎屑和氧化物，為厚絕緣層的形成提供了環(huán)境。微動的過程相當(dāng)復(fù)雜，往往受接觸條件、環(huán)境條件、材料性能和表現(xiàn)等因素影響［2］。

Anlter通過對電子連接的研究［13］，發(fā)現(xiàn)不同金屬間的微動過程中，金屬的遷移方向總是從軟面到硬面。例如，金與錫相結(jié)合作為接觸材料時，在微動條件下較軟的錫將擴散到接觸面，并覆蓋較硬的金。擴散的材料是錫氧化物和碎屑，它們在微動中不斷累積，使接觸電阻不斷升高，從而影響到系統(tǒng)的電氣穩(wěn)定性。

由于電鍍層的耐久力要收到系統(tǒng)復(fù)合硬度的影響，因此常在金鍍層和軟的基體金屬中間加入硬的鎳電鍍層。實驗表明，沒有使用中間層時，僅103個微動周期之后接觸電阻就開始上升;使用了鎳中間層時，接觸電阻在長達106個微動周期內(nèi)保持穩(wěn)定［14］。

3.3 腐蝕

常見的腐蝕包括大氣腐蝕、局部腐蝕、裂隙腐蝕、點蝕、孔隙腐蝕、遷延腐蝕、電化學(xué)腐蝕、塵土腐蝕、應(yīng)力腐蝕等，且經(jīng)常一種腐蝕伴隨其他腐蝕同時發(fā)生。雖然多種腐蝕的機理各不相同，但都可以歸結(jié)為金屬與某種反應(yīng)物接觸所造成的性能退化［2］。

潤滑是抑制腐蝕的一個最有效的方法。潤滑可以密封薄貴金屬表面的孔隙防止底層金屬腐蝕;可以減少摩擦系數(shù)，因而減小兩個接觸面的微動磨損;可以通過阻止腐蝕環(huán)境因素進入接觸區(qū)來提供一種防御性保護。潤滑的優(yōu)點還有它在使用較薄的電鍍金屬時不影響連接的可靠性［2］。但是，沒有一種潤滑可以針對所有的腐蝕，最終要根據(jù)實際需求來選用合適的潤滑劑。

圖3 Souriau公司復(fù)合材料殼體連接器

此外，復(fù)合材料外殼的開發(fā)也大大增強了連接器的抗腐蝕能力。這種外殼多采高強度工程塑料制作，表面金屬化處理，比傳統(tǒng)金屬外殼有著更好的防護性。在復(fù)合材料的研制方面，Souriau公司居于領(lǐng)先地位。該公司研制的復(fù)合材料圓形連接器采用了先進的高壓模塑和鎳層涂鍍方法，它通過了防流體結(jié)冰試驗，鎳鍍層可以經(jīng)受住侵蝕性流體，另外經(jīng)受住了500μs的10000A電流沖擊試驗，可耐雷擊、阻燃、耐化學(xué)腐蝕，目前成功地配套波音787、F－35戰(zhàn)機等裝備。

國外對惡劣條件下電連接的研究已有60多年的歷史，科研水平和產(chǎn)品質(zhì)量都相當(dāng)高。Deutsch公司生產(chǎn)的SAC復(fù)合材料連接器采用了復(fù)合材料及表面金屬鍍層，具有很高的耐腐蝕性，能在高溫下能經(jīng)受2000h、5%的NaCl鹽霧試驗，遠遠超過了MIL－C－38999規(guī)定的500小時［8］;Souriau公司生產(chǎn)的MicroComp系列連接器可以承受長達8小時的44g隨機振動和持續(xù)時間13ms的50g沖擊，期間沒有破裂、損壞或松動，且沒有發(fā)生1μs以上的斷路，耐振動沖擊性相當(dāng)好。

4 信號的完整性

過去的電連接器一般是以機械產(chǎn)品的思路來設(shè)計生產(chǎn)，信號的完整性很少被提及。但隨著高速電子系統(tǒng)的頻率達到數(shù)百兆Hz，其極高的工作頻率和集成度使傳統(tǒng)連接器不斷出現(xiàn)信號完整性問題，如信號失真、定時錯誤、不正確數(shù)據(jù)、地址和控制線以及系統(tǒng)誤運行，甚至系統(tǒng)崩潰［15］。因此，高速連接器的信號完整性需要作為一個專門的技術(shù)點進行突破。

信號完整性與信號傳輸延遲和波形損壞程度有關(guān)，破壞信號完整性的原因主要有以下幾個方面。

4.1 反射

其產(chǎn)生的原因是由于連接器與PCB板互連處的阻抗不匹配。在高頻情況下，傳輸線的特性阻抗規(guī)定為:

公式中，L表示單位長度傳輸線的固有電感，C表示單位長度傳輸線的固有電容。通過改變介電常數(shù)，傳輸線長度和寬度的方法(或連接器導(dǎo)體的長度和幾何結(jié)構(gòu))可以調(diào)節(jié)特性阻抗。實際應(yīng)用中電磁場的分布非常復(fù)雜，用傳統(tǒng)方式很難計算出特性阻抗，經(jīng)常要借助有限元分析。

4.2 串?dāng)_

串?dāng)_產(chǎn)生的原因是相互靠近的傳輸線之間的電磁耦合。隨著連接器接觸中心距的減小，信號間的幾何距離越來越小，這種電磁耦合帶來的影響已無法忽略。應(yīng)對串?dāng)_最有效的辦法是采用差分信號傳輸，可以極大降低外界對差分對的公模干擾。但是，差分信號不同步產(chǎn)生的干擾卻無法消除，因此用盡可能的使兩根差分線的時延相等。

Molex公司在處理連接器串?dāng)_上表現(xiàn)得十分優(yōu)秀。其最近推出的Impact系列高密度高速背板連接器每英寸有多達80組差分對，支持高達25Gbps的傳輸速率，并且將串?dāng)_由8% ～10%降到了2%以下。

圖4 Impact系列背板連接器

4.3 衰減

在傳輸過程中，信號幅度的減小是不可避免的。衰減的原因是因為真實傳輸線路是有損耗的，選用絕緣性好的絕緣材料和導(dǎo)電性好的金屬有助于抑制信號衰減。以目前最常用的FR－4環(huán)氧玻璃纖維板為例，當(dāng)信號的衰減小于－40dB時，布線長度Len與傳輸?shù)臉O限速率DR有著如下關(guān)系:

這是由材料性質(zhì)決定的。由此關(guān)系可知，高速信號衰減限制了最大布線長度(或者說背板尺寸)，這是高端服務(wù)器和電信設(shè)備的主要制約因素之一。此外，銅線纜的高速信號衰減也構(gòu)成了一個挑戰(zhàn)。

值得一提的是，光纖連接器在傳輸速率和信號完整性上都遠優(yōu)于傳統(tǒng)的銅連接器，業(yè)界出現(xiàn)了“光進銅退”趨勢。但是，光纖的突出問題是，在連接處信號的分路和擴散不如銅連接器方便，而且光收發(fā)機的成本也限制著銅線纜向光纖的過渡［16］。目前，各大連接器公司同時提供光纖連接器和銅連接器?？偟膩碚f，光纖技術(shù)發(fā)展很快，但在可預(yù)期的將來銅連接器仍將占據(jù)相當(dāng)一部分市場。

5 智能連接

這一概念最早由Tyco公司在2010年的慕尼黑電子展會上首次提出。智能連接器是一種未來的嵌入式智能產(chǎn)品，可以將板上器件的某些功能轉(zhuǎn)移到外部電纜上來實現(xiàn)。未來的智能連接器可以將像芯片一樣可編程，并逐步增加諸如信息通訊、操作保護、標準轉(zhuǎn)換、感應(yīng)和檢測等功能。

智能連接在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。以新能源領(lǐng)域為例，目前太陽能發(fā)電領(lǐng)域面臨面板發(fā)電量不確定和輸出電流固定的矛盾，智能連接有望解決這一問題。陽光照射、入射角度影響了太陽能面板能量的輸出大小，而和電網(wǎng)相連的面板其產(chǎn)出電流有一個固定輸出值。如果系統(tǒng)可以按照射入光的大小和角度調(diào)整光電轉(zhuǎn)換的效率，就能實現(xiàn)最大化轉(zhuǎn)換效率，通過可編程智能連接器可以達到最佳能量輸出效果［17］。

6 結(jié)論

面對國際連接器行業(yè)的迅猛發(fā)展，有必要了解國外連接器行業(yè)最新發(fā)展趨勢與用戶的特殊需求，通過追蹤、分析和借鑒國際連接器行業(yè)最新技術(shù)，繼續(xù)深入研究技術(shù)難點，推出解決方案，促進國內(nèi)連接器行業(yè)的發(fā)展。

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［17］chunyang.連接器通過“智能連接”擺脫被集成電路吞噬的命運.http://www.dzsc.com/news/html/2010－5－27/116002.html