連接器行業(yè)最新發(fā)展趨勢(shì)分析

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(guó)內(nèi)外巨大的互連產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)促進(jìn)了連接器行業(yè)的迅速發(fā)展。目前，國(guó)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(guò)對(duì)國(guó)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(guó)際連接器行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，探討技術(shù)發(fā)展中存在的問(wèn)題及解決方案，主要對(duì)高密度小型化、耐環(huán)境、信號(hào)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(jìn)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(jìn)步延長(zhǎng)了摩爾定律的壽命。目前，集成電路的集成度已經(jīng)達(dá)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(shì)已經(jīng)體現(xiàn)在各種類(lèi)型的電連接器產(chǎn)品上。

在軍用無(wú)人機(jī)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(jī)械和環(huán)境性能，非常適用于更小、更輕的無(wú)人機(jī)平臺(tái)。80系列連接器是一種在無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)包括“火力偵察兵”無(wú)人直升機(jī)、“捕食者”無(wú)人機(jī)等［1］。

圖1 Glenair80連接器(左)與38999標(biāo)準(zhǔn)連接器(右)對(duì)比圖

在消費(fèi)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(duì)板連接器之一，非常適合手機(jī)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(wú)需更改印刷電路板模式即可實(shí)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(shí)現(xiàn)牢固插配的摩擦鎖、增強(qiáng)接觸可靠性的兩點(diǎn)式接觸設(shè)計(jì)等特性。

圖2 SlimStackTM0.4mm間距板對(duì)板連接器

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

例如，先進(jìn)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(diǎn)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(zhǎng)期使用時(shí)，焊料和金屬鍍層之間會(huì)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(shí)，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(huì)快速生長(zhǎng)，造成了明顯的機(jī)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(guò)2μm時(shí)，兩種金屬的界面脆性顯著增大，并在擴(kuò)散增重產(chǎn)生大量的裂紋和孔隙，從而對(duì)焊點(diǎn)的力學(xué)性能造成顯著影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成連接器脫落［3～6］。為了應(yīng)對(duì)這種現(xiàn)象，連接器廠(chǎng)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(wèn)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(wú)鉛鍍層得到廣泛的使用。大部分無(wú)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(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)電性好，在生長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度后，會(huì)使接觸中心距過(guò)小的鍍錫端子會(huì)有短路的隱患［7］。晶須在高溫和硫化氫氣氛中生長(zhǎng)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(diǎn)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(huì)直接影響連接可靠性。因此，連接器的好壞無(wú)法立刻判斷，至少需要上千小時(shí)的模擬環(huán)境試驗(yàn)或數(shù)年的真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)，但國(guó)內(nèi)的公司很少有時(shí)間和財(cái)力開(kāi)展這種耗資巨大的實(shí)驗(yàn)［8］。這就導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)部分廠(chǎng)家的產(chǎn)品看上去與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相差無(wú)幾，但長(zhǎng)期使用后卻暴露出各種問(wèn)題。

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

3.1 孔隙率

孔隙的實(shí)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(guò)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］?？紫堵矢叨嗍怯傻讓咏饘俦砻娴拇植趨^(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(huì)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(shí)，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(kuò)散到鍍金層表面，嚴(yán)重時(shí)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(gè)薄的保護(hù)層。這種保護(hù)層不會(huì)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(guò)適當(dāng)處理后，都能達(dá)到厚鍍層的抗腐蝕效果［11］。此外，通過(guò)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(dòng)磨損

實(shí)際使用中，電接觸界面會(huì)產(chǎn)生微小的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，振幅在10－8cm量級(jí)就會(huì)產(chǎn)生微動(dòng)磨損［12］。微動(dòng)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(jìn)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(yán)重時(shí)會(huì)造成連接器開(kāi)路。人們普遍認(rèn)為，微動(dòng)是不超過(guò)125μm幅值的滑動(dòng)，因?yàn)檫@種限幅運(yùn)動(dòng)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(dòng)的過(guò)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(guò)對(duì)電子連接的研究［13］，發(fā)現(xiàn)不同金屬間的微動(dòng)過(guò)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(shí)，在微動(dòng)條件下較軟的錫將擴(kuò)散到接觸面，并覆蓋較硬的金。擴(kuò)散的材料是錫氧化物和碎屑，它們?cè)谖?dòng)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(shí)驗(yàn)表明，沒(méi)有使用中間層時(shí)，僅103個(gè)微動(dòng)周期之后接觸電阻就開(kāi)始上升;使用了鎳中間層時(shí)，接觸電阻在長(zhǎng)達(dá)106個(gè)微動(dòng)周期內(nèi)保持穩(wěn)定［14］。

3.3 腐蝕

常見(jiàn)的腐蝕包括大氣腐蝕、局部腐蝕、裂隙腐蝕、點(diǎn)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(shí)發(fā)生。雖然多種腐蝕的機(jī)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(rùn)滑是抑制腐蝕的一個(gè)最有效的方法。潤(rùn)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(gè)接觸面的微動(dòng)磨損;可以通過(guò)阻止腐蝕環(huán)境因素進(jìn)入接觸區(qū)來(lái)提供一種防御性保護(hù)。潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn)還有它在使用較薄的電鍍金屬時(shí)不影響連接的可靠性［2］。但是，沒(méi)有一種潤(rùn)滑可以針對(duì)所有的腐蝕，最終要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選用合適的潤(rùn)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(kāi)發(fā)也大大增強(qiáng)了連接器的抗腐蝕能力。這種外殼多采高強(qiáng)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(hù)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(jìn)的高壓模塑和鎳層涂鍍方法，它通過(guò)了防流體結(jié)冰試驗(yàn)，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(yàn)，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(jī)等裝備。

國(guó)外對(duì)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(yàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了MIL－C－38999規(guī)定的500小時(shí)［8］;Souriau公司生產(chǎn)的MicroComp系列連接器可以承受長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)的44g隨機(jī)振動(dòng)和持續(xù)時(shí)間13ms的50g沖擊，期間沒(méi)有破裂、損壞或松動(dòng)，且沒(méi)有發(fā)生1μs以上的斷路，耐振動(dòng)沖擊性相當(dāng)好。

4 信號(hào)的完整性

過(guò)去的電連接器一般是以機(jī)械產(chǎn)品的思路來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，信號(hào)的完整性很少被提及。但隨著高速電子系統(tǒng)的頻率達(dá)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(hào)完整性問(wèn)題，如信號(hào)失真、定時(shí)錯(cuò)誤、不正確數(shù)據(jù)、地址和控制線(xiàn)以及系統(tǒng)誤運(yùn)行，甚至系統(tǒng)崩潰［15］。因此，高速連接器的信號(hào)完整性需要作為一個(gè)專(zhuān)門(mén)的技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行突破。

信號(hào)完整性與信號(hào)傳輸延遲和波形損壞程度有關(guān)，破壞信號(hào)完整性的原因主要有以下幾個(gè)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(xiàn)的特性阻抗規(guī)定為:

公式中，L表示單位長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)的固有電感，C表示單位長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)的固有電容。通過(guò)改變介電常數(shù)，傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度和寬度的方法(或連接器導(dǎo)體的長(zhǎng)度和幾何結(jié)構(gòu))可以調(diào)節(jié)特性阻抗。實(shí)際應(yīng)用中電磁場(chǎng)的分布非常復(fù)雜，用傳統(tǒng)方式很難計(jì)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(xiàn)之間的電磁耦合。隨著連接器接觸中心距的減小，信號(hào)間的幾何距離越來(lái)越小，這種電磁耦合帶來(lái)的影響已無(wú)法忽略。應(yīng)對(duì)串?dāng)_最有效的辦法是采用差分信號(hào)傳輸，可以極大降低外界對(duì)差分對(duì)的公模干擾。但是，差分信號(hào)不同步產(chǎn)生的干擾卻無(wú)法消除，因此用盡可能的使兩根差分線(xiàn)的時(shí)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(dá)80組差分對(duì)，支持高達(dá)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(guò)程中，信號(hào)幅度的減小是不可避免的。衰減的原因是因?yàn)檎鎸?shí)傳輸線(xiàn)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(hào)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(hào)的衰減小于－40dB時(shí)，布線(xiàn)長(zhǎng)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(hào)衰減限制了最大布線(xiàn)長(zhǎng)度(或者說(shuō)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(xiàn)纜的高速信號(hào)衰減也構(gòu)成了一個(gè)挑戰(zhàn)。

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

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(huì)上首次提出。智能連接器是一種未來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)。未來(lái)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(hù)、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、感應(yīng)和檢測(cè)等功能。

智能連接在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。以新能源領(lǐng)域?yàn)槔?，目前太?yáng)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(wèn)題。陽(yáng)光照射、入射角度影響了太陽(yáng)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(gè)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(shí)現(xiàn)最大化轉(zhuǎn)換效率，通過(guò)可編程智能連接器可以達(dá)到最佳能量輸出效果［17］。

6 結(jié)論

面對(duì)國(guó)際連接器行業(yè)的迅猛發(fā)展，有必要了解國(guó)外連接器行業(yè)最新發(fā)展趨勢(shì)與用戶(hù)的特殊需求，通過(guò)追蹤、分析和借鑒國(guó)際連接器行業(yè)最新技術(shù)，繼續(xù)深入研究技術(shù)難點(diǎn)，推出解決方案，促進(jìn)國(guó)內(nèi)連接器行業(yè)的發(fā)展。

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