國產(chǎn)微矩形電連接器發(fā)展研究

周建新，羅 杰

(上海航天第八零八研究所，上海201109)

1 引言

電連接器是一種在電氣終端之間提供連接與分離功能的元件。由于應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，因而在結(jié)構(gòu)上也是千差萬別，種類繁多。軍事、航空航天用電連接器是構(gòu)成完整的軍事武器裝備、航天型號(hào)工程所必須的基礎(chǔ)元件。隨著大批信息化、智能化的新式高性能武器裝備立項(xiàng)研制或投入批產(chǎn)，對(duì)為其配套的包括電連接器在內(nèi)的各類元器件性能提出了新的或更高的要求。同時(shí)，隨著空間活動(dòng)深入發(fā)展，信息化戰(zhàn)爭較量的重點(diǎn)從地面轉(zhuǎn)向外層空間，對(duì)外層空間爭奪日益顯現(xiàn)，宇航用各類電子系統(tǒng)發(fā)展迅速。這些趨勢一方面對(duì)包括電連接器在內(nèi)的空間用電子元器件的需求量增加，另一方面也提出了更加苛刻的性能要求，如小型化、輕量化、抗輻射加固性能等。因?yàn)樵诳臻g輻射環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的條件下，電連接器體積越小、重量越輕，同時(shí)功率越大，抗輻射性能設(shè)計(jì)就越具挑戰(zhàn)性。

2 國內(nèi)外微矩形電連接器軍用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

正是在軍事、航天電連接器發(fā)展面臨的新形勢下，在矩形電連接器方面，更小、更輕、更高的可靠性主導(dǎo)了其發(fā)展趨勢。在MIL標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)，微矩形電連接器主要的軍用規(guī)范有:

1)MIL－DTL－83513F:CONNECTORS，ELECTRICAL， RECTANGULAR， MICROMINIATURE，POLARIZED SHELL，GENERAL SPECIFICATION FOR(22－MAR－2007)。

2)MIL－DTL－32139A(W/AMENDMENT 2):CONNECTORS， ELECTRICAL， RECTANGULAR，NANOMINIATURE，POLARIZED SHELL，GENERAL SPECIFICATION FOR(13－APR－2011)。

在國內(nèi)研究中，將MIL－DTL－83513F翻譯為《微小型外殼定位矩形電連接器通用規(guī)范》，對(duì)應(yīng)的國軍標(biāo)是GJB2446A－2011《外殼定位微矩形電連接器通用規(guī)范》;將MIL－DTL－32139A翻譯為《納小型外殼定位矩形電連接器通用規(guī)范》，對(duì)應(yīng)的國軍標(biāo)是GJB7425－2011《外殼定位超微矩形電連接器通用規(guī)范》。

3 國產(chǎn)微矩形電連接器產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

相比國外，將按MIL－DTL－83513F與MIL－DTL－32139A制造的矩形電連接器分別稱為微小型與納小型矩形電連接器，國內(nèi)通常將其統(tǒng)稱為微矩形電連接器。微小型矩形電連接器的接觸件中心距為0．05 英寸(1．27mm)，納小型則為 0．025 英寸(0．635mm)。國外微小型矩形電連接器的主要型號(hào)有ITT公司的MDM系列、Airborn公司的M系列。國內(nèi)發(fā)展較為成熟的有J30(J)系列、MDM系列，已發(fā)展出高等級(jí)(GJB級(jí)、宇航級(jí)等)的產(chǎn)品。

圖1 ITT公司的MDM系列電連接器

圖2 853廠的MDM系列電連接器

圖3 Omnetics公司的Nano系列電連接器

圖4 3419廠的J63A系列電連接器

納小型矩形電連接器方面國外則以ITT公司的NDM系列、Airborn公司的N系列及Omnetics公司的Nano系列為代表。國內(nèi)近些年來發(fā)展出的型號(hào)有J63A系列、J70A系列。目前，高等級(jí)的納小型電連接器還主要依賴進(jìn)口。

4 微矩形電連接器的結(jié)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)電連接器的小型化，就必須減小其接觸件的尺寸，而隨著傳統(tǒng)的電連接器中的彈性插孔尺寸的不斷縮小，其接觸的可靠性顯著降低，無法保證接觸的可靠性要求。因此，有別于普通矩形電連接器采用的彈性插孔－剛性插針的接觸件結(jié)構(gòu)，微矩形電連接器在發(fā)展過程中的一大突破就是所謂的“性別顛倒”，即讓插針成為彈性件，并將其置于保護(hù)用的絕緣體內(nèi)，同時(shí)將其固定于插合的插孔接觸件的捕獲半徑內(nèi)。暴露的管狀插孔的牢固性大大高于直徑較小的插合插針。

現(xiàn)在使用最為普遍的彈性插針接觸件結(jié)構(gòu)是絞線插針(Twist pin)，將其固定在絕緣體孔內(nèi)，插孔采用剛性插孔。絞線插針?biāo)追Q麻花針，上世紀(jì)六十年代初由德籍美國科學(xué)家迪爾· 菲利普發(fā)明。絞線插針是一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的高可靠接觸件，它的尺寸可以做得很小而可靠性依然很高，實(shí)現(xiàn)更高的接點(diǎn)密度，很好地克服了小型化與高可靠這一矛盾。絞線插針體積小，接觸可靠，可以使產(chǎn)品體積更小、更可靠。

絞線插針由三根銅線作內(nèi)圈，七根彈性銅線作外圈。內(nèi)外圈反向絞合，兩端熔焊，插針中部凸起。產(chǎn)品對(duì)接時(shí)，插頭外殼先進(jìn)入插座外殼內(nèi)，使插針和插孔初步對(duì)正，然后插孔進(jìn)入插頭絕緣體孔內(nèi)，隨著插合長度的增加，插針進(jìn)入插孔內(nèi)，由于絞線插針凸起部分外切圓直徑大于插孔內(nèi)徑，工作時(shí)受力產(chǎn)生壓縮變形和軸向旋轉(zhuǎn)伸長，外圈的七根銅線與插孔形成七線接觸(如圖5)，七根彈性銅線構(gòu)成并聯(lián)系統(tǒng)，大大提高了接觸的可靠性。最后，外殼插合到位，完成對(duì)接。它和圓孔開槽類插孔比較，具有尺寸小、可靠性高、抗振動(dòng)、耐沖擊、接觸電阻小、插拔力小而且柔和等特點(diǎn)。

圖5 絞線插針結(jié)構(gòu)示意圖

從普通矩形電連接器發(fā)展至微矩形電連接器，不僅電連接器對(duì)接面的尺寸在減小，接觸件的插合長度也在隨之減小，進(jìn)一步降低了接觸件插合時(shí)受到的力矩。在軸線嚴(yán)重不重合的情況下，絞線插針－插孔也可實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

5 國內(nèi)外微矩形電連接器主要性能比較

5．1 微小型矩形電連接器

國外產(chǎn)品以ITT公司的MDM系列、Airborn公司的M系列為例，國內(nèi)則以3419廠與158廠的J30J系列為例，再輔以MIL－DTL－83513F的要求進(jìn)行對(duì)比。

表1 國內(nèi)外微小型矩形電連接器主要性能比較

通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的微小型矩形電連接器產(chǎn)品主要技術(shù)性能已經(jīng)能夠達(dá)到或優(yōu)于國外同行水平，完全能替代相應(yīng)的進(jìn)口產(chǎn)品。

5．2 納小型矩形電連接器

國外產(chǎn)品以ITT公司的NDM系列、Airborn公司的N系列為例，國內(nèi)則以3419廠的J63A系列、853廠的 NDM系列為例，再輔以 MIL－DTL－32139A的要求進(jìn)行對(duì)比。

表2 國內(nèi)外納小型矩形電連接器主要性能比較

通過比較我們可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)的微小型矩形電連接器產(chǎn)品主要技術(shù)性能已經(jīng)基本能夠達(dá)到國外同行水平，部分廠家的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)上相比進(jìn)口產(chǎn)品還稍顯不足，存在一定差距。

6 國產(chǎn)微矩形電連接器產(chǎn)品發(fā)展歷程

國內(nèi)在微矩形電連接器方面處于領(lǐng)先水平的廠家主要是3419廠、158廠及853廠。以下簡單的介紹下各生產(chǎn)廠歷年來在微矩形電連接器方面的發(fā)展情況。

6．1 3419廠(貴州航天電器股份有限公司)

3419廠在微矩形連接器方面主要為絞線插針產(chǎn)品，有著近30年的研究歷史，在技術(shù)水平、品種的多樣化、產(chǎn)品的市場占有率上占據(jù)國內(nèi)領(lǐng)先地位。公司的矩形絞線插針電連接器系列化的產(chǎn)品主要有 J30、J30J、J24、J40、J63A 等系列，按接點(diǎn)間距離分，絞線插針產(chǎn)品的接觸件中心距有1．96、1．7、1．27、0．635mm 等幾種。

3419廠的 J30和 J30J系列產(chǎn)品均執(zhí)行GJB2446標(biāo)準(zhǔn)，接觸件中心距為1．27mm。其中，J30系列為塑料外殼麻花針產(chǎn)品，J30J系列為金屬外殼麻花針產(chǎn)品。1983年公司開始按ITT公司MDM系列樣機(jī)和MIL－C－83513開始研制，90年代初開始進(jìn)行系列化擴(kuò)展和各種可靠性試驗(yàn)，2003年通過電子四所確認(rèn)的可靠性增長工程規(guī)范Q/LK20032－2003《J30系列微型矩形電連接器詳細(xì)規(guī)范》的試驗(yàn)驗(yàn)證，完成可靠性增長并開始用于載人航天工程，2004年按照ZZR－Q/Lk20054－2004《J30型微型矩形電連接器詳細(xì)規(guī)范》的要求完成貫軍標(biāo)(GJB2446)認(rèn)證工作，進(jìn)入QPL目錄，產(chǎn)品取得軍標(biāo)生產(chǎn)線資格。

2006年開始，公司在J30J貫軍標(biāo)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)宇航要求，稱為J30JYH產(chǎn)品。經(jīng)分析與對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，J30JYH產(chǎn)品能完全替代Airborn公司M系列電連接器。

J63A系列產(chǎn)品是3419廠自主開發(fā)的以絞線式彈性毫微插針(Nano Pin，俗稱毫微麻花針)為基礎(chǔ)的微矩形電連接器，對(duì)應(yīng)AirBorn公司的N系列產(chǎn)品。2001年開始“十五”預(yù)先研究;2003年正式開發(fā)，研制的產(chǎn)品主稱代號(hào)為J63系列，產(chǎn)品于2006年4月完成鑒定試驗(yàn)，2006年6月設(shè)計(jì)定型;產(chǎn)品定型后的批生產(chǎn)過程中，由于零部件微小加工效率較低，不能滿足產(chǎn)品大批量生產(chǎn)需求，因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。為與J63系列產(chǎn)品區(qū)別開來，改進(jìn)后的產(chǎn)品主稱代號(hào)變更為J63A(A為改型代號(hào))，J63A系列為J63基本系列的擴(kuò)展。2007年后開始J63A系列擴(kuò)展;2008年開始總裝型譜的開發(fā);2011年，公司參與了GJB 7425－2011《外殼定位超微矩形電連接器通用規(guī)范》的編制。

6．2 158廠(中航光電科技股份有限公司)

158廠微矩形電連接器項(xiàng)目于2001年初立項(xiàng)，最早開發(fā)的是φ0．7規(guī)格的絞線插針。該規(guī)格接觸件主要應(yīng)用于J24系列電連接器，產(chǎn)品接點(diǎn)間距1．7mm，現(xiàn)已開發(fā)了J24全系列產(chǎn)品。

2002年3月，上海航天八部在研制某導(dǎo)彈系統(tǒng)時(shí)，委托158廠為其開發(fā)J30－15、37、51芯電連接器，由此衍生了J30全系列產(chǎn)品。2002年6月，公司為南京14所開發(fā)了J30J系列的25芯、37芯產(chǎn)品，由此衍生了J30J全系列產(chǎn)品，J30與J30J產(chǎn)品接點(diǎn)間距為 1．27mm，芯數(shù)包括 9、15、21、25、31、37、51、66、74、100、144 等，端接形式包括壓接形式、焊接形式、彎式印制板形式、直式印制板形式、垂直表面貼裝形式等。

2007年11月，公司為014中心研制了J70A－21芯產(chǎn)品，2008年J70A系列產(chǎn)品作為總裝型譜項(xiàng)目開始系列研制，該系列產(chǎn)品于2010年3月通過了總裝鑒定并于2011年9月通過了合同驗(yàn)收。該產(chǎn)品接點(diǎn)間距為0．635mm，相同芯數(shù)的產(chǎn)品體積是J30J產(chǎn)品的約 1/8，型譜接點(diǎn)包括 9、15、21、25、31、37、51、65、69、85 等。現(xiàn)已完成了 J70A 系列壓接形式、彎式印制板形式、直式印制板形式、垂直表面貼裝形式等產(chǎn)品的研制，并大量在航空、航天、電子、兵器、艦船等系統(tǒng)應(yīng)用。

6．3 853廠 (陜西華達(dá)科技股份有限公司)

1974年在我國航天、航空進(jìn)口的電子設(shè)備中發(fā)現(xiàn)裝有ITT公司生產(chǎn)的微矩形電連接器，為了滿足當(dāng)時(shí)進(jìn)口電子設(shè)配的配套要求，853廠從1976年開始率先研制微矩形電連接器，是國內(nèi)最早研制、生產(chǎn)微矩形電連接器的專業(yè)生產(chǎn)廠家。

由于當(dāng)時(shí)無法取得更詳細(xì)的技術(shù)資料，研制只能是對(duì)從引進(jìn)的電子設(shè)備中拆下的樣品進(jìn)行測繪、分析，853廠研制組全體成員從消化國外樣品和相關(guān)資料入手，以絞線插針的設(shè)計(jì)及加工工藝為突破口，先后攻克了絞線插針的繞制、切斷、熔焊、鐓粗等一系列技術(shù)難關(guān)。1980年首批產(chǎn)品通過驗(yàn)收并應(yīng)用于某重點(diǎn)工程，滿足了當(dāng)時(shí)國家重點(diǎn)工程的配套需要。當(dāng)時(shí)的代表產(chǎn)品有CDbF、CDb、CDbA系列產(chǎn)品等。

到了八十年代末期，國產(chǎn)微矩形電連接器步入快速發(fā)展階段，從進(jìn)口設(shè)備的配套需求轉(zhuǎn)向國內(nèi)電子設(shè)備配套研制生產(chǎn)方向，電連接器品種規(guī)格及需求量迅速增加。為了盡快走上國際通用化的道路，公司先后起草了微矩形電連接器總規(guī)范GJB2446－1995和行軍標(biāo)SJ52446/1－1999詳細(xì)規(guī)范。公司微矩形電連接器生產(chǎn)線在“八五”期間被列為貫徹國軍標(biāo)生產(chǎn)線，“九五”期間順利通過中國軍用電子元器件質(zhì)量認(rèn)證委員會(huì)審核。

90年代末期，為了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，853廠也研發(fā)了J30、J30J系列產(chǎn)品，可以與3419廠的互換。隨著微矩形電連接器的市場不斷擴(kuò)張，853廠微矩形電連接器產(chǎn)品不斷發(fā)展，J30、J30J系列微矩形電連接器的印制板產(chǎn)品不符合美軍標(biāo)。2005年，為了滿足市場的需求，853廠研發(fā)生產(chǎn)了國內(nèi)唯一完全符合美軍標(biāo)的彎式焊印制板及直式焊印制板產(chǎn)品，進(jìn)而開發(fā)了MDM系列連接器，后來開發(fā)了MDC系列連接器，其體積只有J30J、MDM的40%。為了更加小型化，853廠還開發(fā)了MDC1和MDM1系列連接器。這兩種1mm間距的電連接器體積只有J30J、MDM的1/5。此外，公司還開發(fā)了更小的0．635mm間距的NDM系列電連接器。

7 國產(chǎn)微矩形電連接器產(chǎn)品存在的不足

1．制造工藝仍存在不足，大量依賴手工加工，產(chǎn)品質(zhì)量一致性與國外存在差距。

目前，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的微矩形電連接器在八院元器件可靠性中心檢測過程中仍常有發(fā)現(xiàn)各種情況的質(zhì)量問題，比較典型的有插針縮針、偏心、外殼鍍層質(zhì)量不佳、絕緣體開裂、有多余物、灌膠問題、毛刺等。

在引進(jìn)國外生產(chǎn)加工保障設(shè)備的基礎(chǔ)上，國內(nèi)廠家需自主研發(fā)自動(dòng)化生產(chǎn)、加工設(shè)備，在保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性的同時(shí)，提升批生產(chǎn)能力，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

2．產(chǎn)品系列仍有待完善。

與國外同型號(hào)產(chǎn)品相比，國內(nèi)廠家在產(chǎn)品的系列化上仍需繼續(xù)發(fā)展，盡快實(shí)現(xiàn)全面覆蓋或超越國外廠家產(chǎn)品。

3．自主創(chuàng)新稍顯遜色，新品研發(fā)需加快追趕國外同行。

通過“仿研”國外先進(jìn)產(chǎn)品，國內(nèi)廠家已經(jīng)積累了一定的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù)。生產(chǎn)廠需結(jié)合自身優(yōu)勢，不斷自主創(chuàng)新，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，為實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)信息化產(chǎn)品打破壁壘，為走出國門打下堅(jiān)定基礎(chǔ)。

8 微矩形電連接器未來發(fā)展趨勢

當(dāng)接觸件中心距低于0．3mm時(shí)，將逼近傳統(tǒng)沖壓技術(shù)的極限。這意味著微矩形電連接器的進(jìn)一步小型化、微型化還有物理空間，納小型矩形電連接器雖不是最小的電連接器，但卻是迄今最小的(0．635mm)電連接器平臺(tái)，之所以稱之為平臺(tái)是因?yàn)樵?．635mm接觸件中心距的層面上擴(kuò)展了多個(gè)品種和結(jié)構(gòu)，有單獨(dú)的MIL通用規(guī)范。目前，納小型矩形電連接器存在巨大的市場需求，發(fā)展蒸蒸日上，未來前景可預(yù)期。

此外，商用微矩形電連接器用作軍用也是未來的一個(gè)發(fā)展趨勢，兩者之間的界限將趨于模糊。早在1994年簽訂的佩里備忘錄中，軍用標(biāo)準(zhǔn)將僅用作“適當(dāng)放棄的最后手段”，即只要商用產(chǎn)品滿足軍用要求的就優(yōu)先選用，軍標(biāo)只是最后的選擇。其目的首先是為了降低成本并縮短軍品研制時(shí)間，其次為了減輕對(duì)軍用規(guī)范的依靠。隨著商用微矩形電連接器的發(fā)展，當(dāng)其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，達(dá)到軍用要求時(shí)，軍用設(shè)備也該選用此類產(chǎn)品。

［1］山勝利．外殼定位微矩形電連接器概述［A］．連接器與開關(guān)第十一屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集．

［2］劉寶糧，吳世湘．面向宇航/軍事應(yīng)用的納小型連接器透視［A］．2006年中國電子學(xué)會(huì)第十四屆電子元件學(xué)術(shù)年會(huì)論文集．

［3］MIL － DTL － 83513F．CONNECTORS，ELECTRICAL，RECTANGULAR， MICROMINIATURE， POLARIZED SHELL，GENERAL SPECIFICATION FOR［S］．

［4］MIL－DTL－32139A(W/AMENDMENT 2)．CONNECTORS，ELECTRICAL，RECTANGULAR，NANOMINIATURE，POLARIZED SHELL，GENERAL SPECIFICATION FOR［S］．