目　　　　錄

第一章 連接器總述 2

第二章 接觸介面及接觸過程 20 

第三章 接觸鍍層 32

第四章 接觸彈片材料 62

第五章 連接器用工程熱塑性材料 85

第六章 可分離式電連接器 102

第七章 永久性連接概述 121

第八章 電線與線纜      125

第九章 電線與線纜的機械式永久連接      138

第十章 印刷電路板 157 

第十一章 至電路板的永久性連接     173

第十二章 連接器的應用     187

第十三章 連接器的類型     213 

第十四章 連接器／插座測試     234 

 

第一章　连接器总述

　　这一章包括连接器技术的总述，在后面的章节之中将会提供各独立主题的详细背景数据。

　　定义一个连接器至少有两种方法：从功能上和从结构上。

　　第一种描述连接器的方法是就其应该达到和必须达到的要求而言的。这样的定义集中在连接器所应用的功能性和操作的环境。第二种描述连接器的方法集中在连接器本身，及它的设计方法和制造材料。由于连接器的应用、操作环境及功能性要求直接影响连接器的设计，本文就从连接器的功能性定义开始。

1.1　连接器功能

　　连接器的应用范围十分广泛，本手册的重点将会放在电连接器上，其主要应用于３C产品。从这个重点可以提出电连接器的功能性定义是：

　　电连接器是一种电机系统，其可提供可分离的界面用以连接两个次电子系统，并且对于系统的运作不会产生不可接受的作用。

　　定义中关键词是”电机系统”，”可分离的”和”不可接受的作用”。

　　连接器是一种电机系统是因为，它是通过机械方法产生的电性连接。如将要讨论到的，机械式弹簧的偏向会在配合的两部分间产生一个力量，这就使得接口配合面之间产生金属性接触。应用连接器在首要地方的原因是配合接口具有可分离性。可分离性的需要性具有很多的原因。它可以使得独立地制造部份或子系统而最后装配可在一个主要的地方进行。可分离性也可以使得零件或子系统的维护或升级不必修改整体个系统。可分离性得以应用的另一个原因是可携带性和支持外围设备的扩展。

　　另一方面，定义中的可分离性引入了一个额外的子系统间的界面，此界面不能引入任何”不可接受的作用”，尤其是在系统的特性上不能受电讯的影响，这些影响包括如不可接受的扭曲变形和系统间的信号退化，或者是通过连接器的电源损失，以毫伏损失计算的电源损失，将会成为功能性的主要设计标准，因此主机板的电力需求也将增加。

　　可分离性的需求和”不可接受性”的限度要由连接器的应用而定。可分离性包括配合周期的数目，配合周期是指连接器在不影响其性能必须提供的，以及与另一连接器相配合所必需的作用力。典型的配合周期需求其范围从内部连接器的几十个周期到外围设备的几千个周期，比如PCMCIA型连接器。由于电路或功能的数量以及连接器互相连接的增加，配合力量的需求变得更加的重要。为了提供更多的功能性，连接器上端子的位置也必须要增加，这样就导致了更高的连接器配合力量。由连接器的使用和功能而定，其端子数从几十到上千不等。可分离性和配合力量需求将会详细地在1.5.1部分中论述，同时归类连接器的互相连接的技术水准也将加以描述。

　　现在我们将要考虑的转向第二种定义连接器的方法-结构性的或者说设计/材料上的定义。

1.2  连接器结构

　　一个基本的连接器包括四个部分：

‧ 接触界面

‧ 接触涂层

‧ 接触弹性组件

‧ 连接器塑料本体

　　上述组件已列在图表1.1中。

　　本手册将会在后面的章节中详细介绍上述组件中的每一件，既要从材料上又要从设计上介绍。从这个意义上，一个概要的各个组件介绍将能提供足够后述讨论的上下文背景。

图1.1为简要的连接器相交剖视图，插图(A)为接触涂层示意图，插图(B)为接触界面微观结构图。

1.2.1接触界面

　　事实上必须考虑到有两种不同的接触界面：可分离界面和固定(永久性)界面。可分离界面(图1.1， 插图A)由于在首要的地方使用连接器而已经被明确的提到。固定(永久性)界面是当两个子系统相连接时在连接器功能性定义中被提到。这些界面被称为固定(永久性)界面是因为，一般说来它们只制造一次而固定使用。固定连接的例子包括位于图1.1左边的卷曲型连接和位于图1.1右边的压力型。在可分离性界面和固定连接之间存在很多的不同点，包括结构上和需求上的，它们在基本组件上具有共同之处.在两种情况下，产生和维护金属接触界面需要达到我们所期望的电力要求。此外，在两种情况下，金属性界面的产生是通过机械方法。

　　可分离界面是在每次连接器配合时建立的。界面的结构主要是由接触端的几何形状、端子之间的作用力以及接触涂层而定。如图1.1中插图B所示，可分离界面包括有微小的连接部，位于微观下的粗糙表面在常力的接触之下。可分离界面形态学将会在第二章中加以详细描述‧从这个意义上讲，足以陈述接触界面的形态学将决定三个重要的连接器功能性参数：接触阻力，连接器配合力以及连接器耐用性(例如：配合周期将仍然支持其性能而不会退化)。

　　很多固定式连接分属于两种基本类别：治金式和机械式。治金式如焊接，它要由连接器和子系统之间接触界面的结构而定。低温焊接是主要的治金式连接，高温焊接同样也被应用，并且在较小的线缆中应用得越来越多。低温焊接连接在制造印刷线路板装配上尤其重要。而许多零组件要被焊接在印刷线路板，连接器就是其中最大的零组件之一。两种主要的焊接技术：穿孔焊接和表面焊接将会在1.4.2部分和第11章中介绍。

机械式的固定连接有卷曲型，insulation displacement，压力型，遮蔽型。机械式的固定连接的图解如图1.2所示。

卷曲型和insulation displacement型连接主要用在线缆上，压力型连接主要用于通孔镀金的印刷线路板上，遮蔽型连接是用在插入式印刷线路板。每一种都将会在后面的章节中详细介绍。

1.2.2 接触涂层

　　接触涂层如图1.1中插图A所示，显示了两个重要的功能：

　．避免接触弹簧基部金属腐蚀

　．优化接触界面的结构

　　第一个功能非常简单仅仅需要接触弹簧组件一般为铜合金，完全被涂层覆盖，并且涂层自身能防腐蚀和能像薄膜一样覆盖在表面。而第二个功能就要复杂得多。

　　优化接触界面的方法，其实质就是对出现在接触界面上的薄膜的规划管理。如前所述，一个稳定且较小的接触阻力由一不含薄膜的金属界面产生。两种主要的接触涂层，贵重金属(金，钯以及由它们组成的合金)和非贵重金属(如锡)，它们的不同主要是指在接触界面上的薄膜类型。对贵重金属(尤其是金)来说，接触涂层是惰性的，维护接触界面的完整性需要保护防止外部涂层的薄膜形成，主要是防止铜的接触弹簧。对锡这种最常用的非贵重金属来说，存在其表面的氧化问题是主要被考虑的。这些不同的腐蚀过程将被反映到连接器的设计标准和性能上。接触涂层的性质和选择的标准将会在第3章中加以讨论。我们曾经考虑过可分离式和固定式接触界面。事实上一些不同的涂层被用于可分离式和固定式连接接触末端。此类接触与双向电镀相关。最普通的双向接触电镀包括一个金-镍合金可分离式界面和镀锡固定式界面。

　　贵金属镀层．贵金属镀层实际上是一个复合层，它是指在前面第1.1图A中所述的接触弹片基材上覆盖一层镍，然后在镍的表面上再覆盖一层贵金属。常见的贵金属表面镀层是纯金，但现在也有用钯或者钯合金代替纯金的，而且这种做法还在呈上升趋势。在许多情况下，钯或钯合金层与纯金层接合使用以防止来于比纯金抗腐蚀能力差的镀层被腐蚀的影响。典型的贵金属层是在1至2.5微米厚的镍层上覆盖0.4至0.8微米厚的贵金属层。在钯或钯合金表面的纯金层只有0.1微米厚。下面两种钯合金最常用：80%的钯与20%的镍和60%的钯与40%的银。

　　镍底层在几个方面提高了接触性能。这几点将在第三章进行详细说明，下面仅列出来供参考。

․减少孔隙腐蚀

․提供转移腐蚀对象的覆盖层

․限制基材成分的分布

․提高镀层的耐久性

　　普通金属镀层．锡是最常用的普通金属镀层，锡镀层的厚度介于2.5到5微米之间。现在越来越多地用锡作镀层，因为，即使锡被氧化，在插拔过程中，锡氧化物也会很轻易地脱落，从而不影响导电性能。然而，表面层再氧化会以磨损的方式降低锡接合面的机械性能。磨损来源于几微米到几十微米的微小滑移。由于在磨损过程中，部分镍被再次氧化，从而使得镀层的电阻增加。对于用锡作为镀层的连接器来说，预防磨损是最重要的工作。较大的接触压力和使用合适的润滑济是两种能有效地降低磨损的途径。这一点将在第三章详述。其它的普通金属镀层，包括镍和银，也将在第三章详述。

总之，对贵金属镀层来说，保护贵金属层是首要目的；对锡镀层来说，防止磨损是首要目的。这些考虑方向的不同将直接影响连接器的设计参数。例如，正常压力大小、接触处几何形状、绝缘本体设计以及诸如插拔力和耐久性等的结构特性等都将受到影响。这些都将在第三章叙述。

1.2.3接触弹片 

　　接触弹片在连接器上具有以下3个作用：

　　․在组件之间提供一条导通电讯的路径

　　․产生形成并维持接触弹片接触面的压力

　　․形成稳固的接触

　　第一个作用，只要使用常用的铜或者铜合金材料就可轻易达到令人满意的效果。铜合金的导电率虽然不是很低，只有铜导电率的10%到30%，但是，对大多数连接器来说，这个导电率已经足够了。然而材料的导电率在用作高电流或能量分配的连接器中的确起着越来越重要的作用，因为，在这种连接器中，由尔热和微电压降引起的规定温升要求更低的阻抗。

　　其它两个作用就要复杂的多，并且涉及到材料特性和设计参数之间的相互作用。接触弹片包括两种基本类型：插座弹片，通常是弹性的；插头弹片，通常是刚性的，它使插座弹片产生弹性变形，从而产生固持力。图1.3显示了插头弹片的外形图，图1.4显示了插座弹片的外形图。图1.3显示了带有插入插座弹片的金手指的打印电路板和导柱/端子插头的几何外形。导柱与端子的外形不一样，导柱是方的，而端子是圆的。图1.4显示了几种连接器的设计，所有这些都要与接触弹片对接。事实上，所有的这些设计都显示了尤其与一种称为25方的接触弹片对接，该接触弹片呈正方形，边长为0.025英寸。

我们必须综合考虑材料的各种性能，并力求达到均衡。对于可分离式接触界面，接触弹片弹性的主要功用是提供介于两插接面的对接力。材料特性指杨氏模数和屈服极限。这些性质严重地影响着弹性偏移性能和弹性偏移量。屈服极限也很重要，因为它可降低插拔力。然而弹性强度必须与制造和卷曲性能对应。例如，用于提供在对接面产生弹性对接力的机械强度(用屈服极限来衡量)是与成型性能和锻造性能相互对立的。以下各章将陆续对此进行讨论。

1.2.4连接器本体部分 

　　连接器本体部分具有如下作用：

․使各接触弹片相互隔离，不能电性导通

․固定各接触弹片

․对各接触弹片进行机械保护

․对各接触弹片进行工作环境遮蔽保护

　　最后一个作用—环境遮蔽，与连接器本体的设计有关，尤其与连接器本体的封闭程度有关。这种遮蔽效果在恶劣的环境中显得尤其重要。图1.5显示了一个有关环境遮蔽的直观例子。该图显示的试件是镀银的，并且是在被暴露于模拟工业环境的情况下插到图示的连接器的卡边。环境中的硫腐蚀了金属外表。然而，当试样插入本体后，腐蚀便停止了。虽然卡边还有一条卡边缘槽，但是，遮蔽效果还是相当理想的。更为重要的是，这种影响可以从暴露于这种环境的连接器的接触弹片阻值变化看出来。

　　图1.6显示了仿真工业环境和暴露时间对接触弹片阻值的影响。实验环境中包括硫氢化物、氮氧化物和氧化物，浓度为十亿分之几十到几百就足够了。数据对插接的和未插接的连接器都适用。样品也获得了一些抵抗环境的性能。在暴露了数十小时后，没有本体的接触弹片，其接触阻值明显地增加了，有本体的接触弹片，其接触阻值却很少变化，这样的接触弹片在工业环境中可以使用10年。这些数据说明了绝缘本体的遮蔽效果。

　　上述列举的其它一些连接器本体作用与连接器本体的材料特性有关。电子特性包括电阻系数和击穿电压。这些特性影响接触弹片在连接器本体的绝缘性能。重要的机械性能包括弯曲强度和蠕变强度，因为这些性能影响接触弹片在本体上的牢固程度。与温度有关的特性包括连续使用和加热使聚合体变形的温度值。使用温度和设计温度是相互关联的。在许多情况下，尤其在表面组接中，温度起着非常重要的作用。

考虑化学和温度对绝缘本体尺寸稳定的影响也是很重要的。维持连接器中心线的间距、直线度、平滑度以及曲度对连接器的装配性能和插接性能都是很关键的。这些特性，除了与聚合体的基本特性有关外，还与成型过程有关。接触弹片具有材料单一而设计式样千变万化的特点，而绝缘本体却具有与之相反的特点。绝缘本体的设计一般都具有许多相同的特征和要求，但其材料却不尽相同。绝缘本体的材料是由各种需要决定的。绝缘本体的材料不但要适应使用环境，而且还要和装配相对应。在许多情况下，正是装配过程决定了使用何种材料。连接器的材料和设计内容将在第五章进行讨论。

1.2.5连接器结构的归纳

　　本节将对连接器结构进行简单的回顾，其目的是提供一些以后将讨论的有关连接器材料和设计标准等的内容。前面已提及的一些参数，例如：插拔力、孔数以及绝缘性能等，将在后续章节进行讨论。然而，在结束本节之前，还要谈谈连接器的又一个重要性能。

1.3　电连接器阻抗

　　图1.7除了侧重点不一样外基本相似，图1.7突出装入系统内连接器组件的电阻。包括三种：

　　‧可分离可分离接触面电阻

　　‧接触弹片电阻

　　‧固定连接电阻

　　如果测出图1.7中电连接器A，B两端所有的电阻，其阻值大概为10－20微欧级，可根据下面等式确定：

R0=Rpc+Rb+Ri                       （1.1）

　　其中， 　　     R0：总电阻

　　　　　  Rpc：固定连接电阻

　　　　　  Rb：接触弹片电阻

　　　　　  Ri：可分离可分离接触面电阻

对典型信号端子而言，接触弹片电阻占总电阻的绝大部分。与此相反，固定连接电阻可从几十到几百微欧。可分离接触面电阻，在100克力作用下，为微欧级。故该电阻只占总电阻的很小部分。但是后二者的重要性在于，它们的电阻是可变的。当电连接器电阻变化时，可能是因为一个或二个可分离接触面电阻的增加。这就是电连接器设计／原料的标准围绕为确保这些接触稳定而变化的原因。

1.4　固定连接介质

前面已经指出固定连接是与被连接电路直接连接，有两种主要通过这些电连接器连接起来的媒体：（ａ）导线或线缆与（ｂ）印制电路板（PWBS）。

1.4.1线与线缆

　　本节将对导线和线缆作简要概述，而在第八章作详细讨论。导线由一个导体或，如果有的话，若干导体及其绝缘体组成。

　　绝缘体有两个功能：它使电导体绝缘并保护其不受机械损伤。哪种功能更为重要一些，依靠导线所用何处，根据导线的运用（尤其是导线上将要承受的温度和电压）和运用环境的机械强度来决定。聚氯乙烯（PVC），聚乙烯，以及聚丙烯是其中为通常运用目的而采用的最普通的绝缘材料，硅树脂橡胶和其它的抗磨性聚合体在有机械环境要求时常用作被覆材料。

　　铜是最普通的导电材料，不管其是否镀锡或镀银。选择电镀是基于它的运用，锡是通常运用的电镀金属而在高频率运用中则要求镀银。导线通常可分为两种：实心与多芯。实心导线由单一导体构成，而多芯导线由若干导体构成。多芯导线在芯线数及其位置或缠绕方式上有所不同，实心导线在导电能力上较有利，但多芯导线对振荡有重要的适应性及抵抗性。

　　线缆存在于各种各样的构造中，以满足一定运用范围的需要，其与单纯导线倍加在一有被覆的导线不同，可提供机械保护，同时可减少为确保在高频传输中隔离防护处理的必要性电阻。

导线/线缆结构对机械固定式连接最重要的影响是：单股/多股电连接器的不同及导线/线缆结束制程去除或处理屏蔽层或绝缘体的必要性。

1.4.2　印制电路板

　　PWB技术已经从５０层单面板发展到带接地平面的复合式的神经网络板与可控阻抗网络板。PWB制造工艺及运用要求将在第十章讨论。本节仅讨论有关固定连接本身。

　　运用在PWB上比较成熟的机械连接技术为压印，及更优的适应性压印连接。在该技术中与压印相关的端子脚插入PWB中的通孔。其连接的稳定性依赖于插入时形成的相应完全接触面残余的弹性力。PWB通孔电镀材料采用铜或锡/铜合金。

　　在PWB应用程序中比较流行的治金技术是焊接。有两种焊接方式常被运用，穿孔技术（THT）与表面粘贴技术（SMT）。穿孔技术（THT）利用穿孔及波峰焊程序。而表面粘接技术（SMT）更依赖于表面衬垫，或平台，及不同的焊接过程。与通过波峰焊的THT技术相对的是，表面粘接技术（SMT）是一个回流过程，在该程序前必须先通过大量技术处理贴好焊剂。SMT程序包括波峰，汽洗，红外加热，对流，及这些程序的组合。SMT因为零部件的高密度与PWB所含功能其应用迅速提高。SMT允许减小平台间隔以提高零部件密度，同时通过消减穿孔数目提高板的配线路径。

与可分连接的两个例子一样，图1.9提供了几种PWB固定连接的图示说明：卡边缘式电连接器及两件式电连接器。二者的具体运用将在第十三章讨论。

1.4.3　小结

关于电连接器的材料/设计及连接媒体的讨论已经涉及到许多电连接器具体特性的要求，因此，接下来本文将对电连接器作简要的说明。

1.5　电连接器应用

电连接器的运用可以从两方面来考虑：电连接器用在何处，例如它装在设备上的位置，以及如何运用，例如电连接器的功能是信号传输还是配电，其中电连接器用在何处应优先考虑。

1.5.1　相互连接的层次

　　通常描述电连接器用在何处的方法是根据电连接器的连接层次（LOI）。许多描述采用这种方式，而本手册通常采用Granitz所述方法。LOI是指两个连接的电路板，而非指相互连接的程序及其种类。大量连接程序与连接/连接器种类可用在给定层次的连接上。图1‧10说明了与电子底板连接的连接层次。

　　第1级‧第1级连接是芯片外部的热压焊衬垫与其外壳或所安装主电路板间的连接。导线粘接及各种不同的焊接技术基本上属于第1级连接，这些连接方式大多倾向于固定连接。

　　第2级‧第2级连接是外壳与印制电路板（PWB）的连接。DIP与PGA插座是第2级连接的两个基本例子。然多芯片模块（MCMS）使该定义有点复杂，但，通常，为了本论题讨论（MCM）可被看作一外壳，第2级连接为典型的固定连接，但为了修复与升级的目的，插座是由可插入的若干零部件组成。

　　第3级‧第3级连接是PWB之间的连接。插座（第2级）已经包含了电连接器的基本组件，正是在第3级将会出现更多电连接器的惯用概念。有两种基本的PWB电连接器：卡边缘式电连接器与两件式电连接器。正如其名称所暗示的，卡边缘式电连接器的一半（即插头或插座）为PWB的边缘。而两件式电连接器，其插头及插座构成金属接触。随PWB尺寸及安装接脚需求的增加，为缩小容许公差量及减少几何形状的限制，两件式电连接器的运用比边缘式电连接器占有优势。

　　第４级‧第4级连接是系统组件间的连接。系统组件可能是单个的PWB或分离的单元例如硬盘驱动器或电源。典型的第4级连接根据连接组件的种类，可包括两件式电连接器与线缆装配。

　　第5级‧第5级连接是系统组件与系统输入/输出间的连接。系统组件与系统输入/输出间的连接可以是直接安装在板上的电连接器或通过一线缆。

　　第6级‧第6 级连接是系统与接口设备或系统间的连接。这些连接典型的是线缆装配。

　　附：上述几节对电连接器电阻的构成、导线及线缆的区别、电连接器与PWB的两种连结技术及电连接器的连接层次作了简要的介绍。电连接器的总电阻由固定连接电阻、接触弹片电阻、可分离接触面电阻三部分组成，其中接触弹片电阻占总电阻的绝大部分。线缆与导线除了结构有所不同外，更主要是在其应用及抗干扰功能上的不同。电连接器与PWB有穿孔技术及SMT技术，穿孔技术穿孔技术（THT）利用在PWB上穿孔及波峰焊程序，SMT已有介绍。电连接器的连接可基本分为六级层次，即：芯片与外壳或主电路板，外壳与PWB，PWB之间，系统组件间，系统组件与输

入/输出，系统间或系统与其外设间。关于级别六，是有关系统与外围设备或者系统与系统之间的相互连接，最典型的便是用相连装配方式来连接。

　　在与连接器的设计、选用方面，目前所用的连接器其相互连接的级别是从以下几点考虑：

　　1.可分离性及耐久性的需要（可提供方便的插拔效果）

　　2.标准性（具有通用的标准，可互换）

可分离性及耐久性：

　　早期规定，级别1和级别2所定的相互接合专指持久性。级别3是最先将相互连接的可分离性作为考虑因素而提出的，尤其是对于那些插拔次数较多的连接器，对其持久性的考虑将不是摆在最重要的位置，而对插拔力大小的考虑，随着端子数的增多而显出越来越重要的地位。低插入力和零插入力连接器是目前人们致力开发的对象。当然，随着芯片和MCMs上的端子数的增多，该等低插入力连接器或者零插入力连接器在设计时也会注重其端子耐久性的考虑以满足连接级别2的要求。级别4和级别5着重强调连接器要满足其不断增加的插拔次数的需要。按这样的标准制出的连接器其端子插拔力较为适当，实际上，该等连接器即使其端子数为几十乃至几百，其插拔力仍会小于级别3连接器的插拔力。级别6所提供的连接器在保持原有插拔力不变的基础上，使端子有效插拔次数大幅度提高。某些与外围设备相连的诸如电子卡连接器的端子连接，其要求插拔次数不低于数千次，这就需要在可分离之界面严格地控制其设计及选材等各种因素，尤其要提高小型化连接器之结构紧密度。

标准性：

　　标准性是指各种不同的连接方式之间具有通用的标准，级别1和级别2所指的连接器其包装和插装的标准是很重要的。其生产和组装过程会涉及到一部分该标准性以满足第3、第4级别之要求，而第5、第6级别的连接器其相干性及兼容性则显得更加重要。

　　这一观点主要是针对各种级别的连接步骤作出简要说明，指出各级别连接方式之间具有相互交迭性，而且同一连接器或连接器类型可用在不同的连接级别当中。了解该等相互交迭性质，将会有助于了解以后所介绍的各类连接器的功能，以作为对各种连接级别的补充说明。

1.5.2 连接器分类

　　这一章里，连接器将被特殊地看作是固定连接介质而不当作是连接系统来分类。按这种分类方案连接器将有三类最基本的类型即线对线、线对板及板对板。图1.11所示为三种类型连接器的结构。我们再次强调，这三种类型的连接方式并非截然不同。以下两个原因可说明这样的类型交迭状况。首先，同一种连接器的设计方案只需经过在连接方式上稍作改变后再重新定义，即变成可适用于另一种类型连接方式的新的设计方案；其次，一条线缆在装配时可于其一端装上线对线连接器而于另一端装上线对板连接器，例如：I/O连接器5级产品的外形便是其中最常见的例子。若避开这种连接形式的类别模糊性而不谈，该等连接形式正好提供了连接器分类的有效依据。

　　．线对线连接．

　　线对线连接同样也包括了线对线缆或者线缆对线缆的形式，其定义特征是两根单线个体或者是两条线缆中的对应导线相互永久性连接。该等永久性连接更多地常见于固定连接中线对线连接以及IDC连接。卷曲连接常见于不连续的线连接器中，IDC因其在与导线相关及线束末端处理上具有优越性而常用于支配线缆连接器，线对线连接器具有各种各样几何形状的塑料支撑件如直角和圆形聚合形体的塑料件，还有许多不同形体之组合形状的塑料件及金属屏蔽壳体，主要在军事上得以应用。

　　．板对板连接．

　　前面已提到过两种类型的板对板连接器，如插图1.12所示，一种是单片连接器或成为卡缘，另一种是双片连接器。第一种板对板连接器设置于电路板边缘故称卡缘，其发展至最终将会变成双片连接器，因为印刷电路板技术性能及其尺寸在不断增长，当板的尺寸增加，其结果将导致连接器的容量增大，从而端子数增多，连接器插拔力增大，电路板印刷电路的容量增大将导致线路密度过大，单片连接器很难满足其要求，所以，其最终将发展成双片连接器。

　　．线或线缆对板连接．

在线对板连接中，有一半连接器是与线或线缆相连，也有与印刷电路板相连，与前述线连接一样，板连接亦是如此，只不过需要压入或焊接两片连接器，许多卡缘式的连接器依然在应用，其端子配合界面适合可分离的连接性，线对线连接器也是大同小异，它们均是出自同一家制造厂。线对板连接器还具有很多其它的用途，其发展方向是线缆对板连接器，或是利用前述IDC的优越性进行线缆装配。

．总结．

　　这种形式当然不是给连接器分类的唯一方法，但这种方法确实能很好地实现比较各种连接器的目的。每一类型的连接器将在第13章里作细致地讨论，在这一章里还将讨论一些附加类型的连接器如：同轴连接器、遮蔽连接器、过泸连接器及可控阻抗连接器等。

1.5.3 　连接器的功能应用

　

　　随着连接器应用范围的不断扩展，它们可根据其两大基本功能而分成：信号传输及电传输两类。在电子应用领域这两类连接器的显著特点在于其端子上一定带有电流，在其它的应用当中，端子所提供的电压将同样作为很重要的考虑对象，虽然同一种端子的设计可同时作为信号和电量传输两种功用，但在多种相类似的接触方式的应用上来看，许多电传输连接器在端子设计时仅仅把电量传输的需要作为唯一目的。

．信号传送．

信号传送可分为两类：仿真信号传送及数字信号传送。这种分类是基于很多共同特征来描述的，在这部分的介绍当中我们对其并不作详尽的讨论，数据信号以及与其相关的连接器将在第12章中讨论。

　　不论仿真或数字信号连接器，其所需功能主要应能保护所传送的电压脉冲信号的完整性，该完整性应包括脉冲信号的波形以及其振幅。数据信号在脉冲频率上与仿真信号有所区别，其脉冲传递速度决定了所保护的脉冲的最大频率，数据脉冲的传递速度比一些典型的仿真信号要快得多，有的脉冲在连接器中的传递速度已接近千亿分之一秒的范围，在当今微电子技术领域中，通常把连接器当作一导线看待，因为与增长如此之快的频率相关的波长能比得上连接器的尺寸。

　　当连接器或是一互相连络系统诸如一线缆装配被运用于高速数据信号传输中，相应的对连接器性能的描述也就改变了。代替了电阻的特征阻抗以及互相连络系统中的串音变得尤为重要。控制连接器的特征阻抗成为一大意识潮流，在线缆中便是对串音进行控制。特征阻抗在连接器中之所以具有如此重要的地位，是因为电阻的几何外形很难做到完全统一，加之连接器尺寸又很小，必须将串音的可能性最小化。在线缆中，几何形状的控制较易实现，其特征阻抗也易控制，但是线缆的长度将有可能引起潜在的串音。

　　在连接器中控制特征阻抗是围绕这个理由而进行的，在典型的开放式端子区域，连接器阻抗(和串音)是通过控制端子以合理的分布方式而达到的。于此类信号而言，接地比率是这种分布的一种反映，接地比率减少了。当然，这样的结果就会减少可用于传送信号的端子数目。与信号端子相关的理由位置是很重要的考虑因素。为了避免接地端子的减少，具有整体的接地平面的连接器系统已经得到了中发展。前文中已经介绍过了微条和条线的几何形状。整体的接地平面允许用于传递信号端子的使用，且能提高连接器所有传递信号的密度。图1.13展示了一个开放端子区域和接地平面连接器的结构。

．电力应用．

如前所述，在上下文提到的电连接器是必须传递电力的。通常其电压很低。通常用到的是如下两种电力传递方法：(1)专用于高水平的当前电力接触传递(2)和并行多笾信号接触。它们每一种方法都有优有劣。

　　电力传输与信号传输相比有两点不同之处。第一点，也是最明显的，是用于传递较高电流。信号传递的电流通常不超过1安培，最多也不会超过几安培，而电力传输的电流可达到几十乃至几百安培。第二点是由于电流导致的焦耳热而产生的温度升高。信号接触过程产生的焦耳热与周围的温度相差不多。相反地，电力传输的比率又是基于温度的升高，温度的升高，又产生相应的比率电流。一次30度的温度的升高通常作为一个电流比率的标准。

　　因此，为满足电流额定值及性能的稳定性要求，控制焦耳热是很有必要的，这就需要在设计当中考虑信号传递的同时也要考虑电量的传输。尤其对电阻大的端子，焦耳热是一重要因素，必须将其减小到最低程度，而且，接触面的电阻也必须减小到最低程度，使其产生的热量最小化。从选材的角度来说，当然是选择高导电率或是横截面积较大的端子以减小电阻，另外，增高传输电压或增加接触面积亦可减小接触部分的电阻。

　　图1.13关于开放端子领域（a图）和接地平面连接器（b图）的例子。（AMP公司许可)

　　更高的交叉部分、多余的接触端子，都暗示提高接触压力下连接器的尺寸。也就是说，实际上，有一个限制在贡献电接触上，包括接触媒体和接触的尺寸。在使用贡献电接触上，电力线缆的路径，线缆大电力接触的终点及电接触的尺寸会成为限制因素。

　　随着在连接器设计上提倡附加的限制，并行多讯号接触允许更多传统的连接器被用来分配电能。这些限制首先直接针对保证通过接触的电流的分配，同时，它们的热环境尽可能一致。其中以下三个因素是主要的﹕

　　 1．电路应是平行的电子流；也就是说，如果可能的话，经过所有的接触电压降应该是相同的。如果不同的电压降对用途来说是根本性的，则这些电路将被区别对待。

 　　2．如果可能的话，接触时的热效应会被减至最低，尤其指一大束的电流接触将被避免。

 　　3．接触的阻抗或是在全部讯号分配里一起计算的任意偏差必须相同。例如，依靠在接触时存在的排列方式，在适当角度连接器独立接触的巨大阻抗会有差异。在设计分配的接触时，这些差异应当被考虑。

　　认识到所有考虑的结果是一个明确的关于接触的电流的影响能力的讨论。降低到50%可能会被意识到。换句话说，为分配100A的讯号到PWB，如以1A的电流接触速率，那么合适的接触应当是接近200A而不是100A，这表明，大量接触是相当依赖于单位接触电流速率。

 ．概述．

　　大体上，由于受终点、路线和尺寸考虑的限制，电流分配经由贡献高电流能力是明显的。考虑到大范围接触和连接器的用途，多数电流分配的讯号接触的用途需要更多的详细分析，这些分析关于连接器要求和它们在本体中位置的接触分配。

1.6 连接器测试

　　讨论到这个程度，也就牵涉到自身在连接器设计及材料、用途的考虑。现在把注意力转向如何测试性能；也就是说，连接器测试可从两个方面来评估﹕即做什么和如何做，为什么测试。

1.6.1　连接器测试的类型

　　首先考虑做什么测试和如何做测试。在本书中的一些叙述中，一项连接器测试包括露天条件和设定条件的操作，由此也将定义这类操作，接下来是测试手段。例如，暴露在腐蚀性环境下的接触阻抗测试一般被认为是一种环境测试。以上这些牵涉到做什么和如何做，这表明选择和如何定义这些条件，测试哪些性能和如何做测试。至少有三类测试和测试手段﹕环境测试、机械性能测试、电气性能测试。实例见表1.1。

　　通过介绍测试术语，接下来考虑测试原因。

1.6.2　连接器测试的原因

　　连接器测试的基本原因是鉴定连接器性能。除设计鉴定测试外，原型或试验型产品做测试可使连接器设计有充分依据，大部分连接器测试被引入每一个特定或合格测试程序用来鉴定产品性能。对于本次讨论目标，特定的或合格测试不同于那种特殊的由连接器生产厂商定义的作为每一个检测项目的测试。就条件测试而言，它是由消费者、产业界、国家的、国际标准来共同定义每一测试程序。在每个例子里，测试程序将包括大量测试项目﹕环境测试、机械性能测试、电气性能测试。测试项目和测试手段及认可的判断标准都与连接器设计必须满足的使用或市场要求有关。通常，这种露天条件和测试手段判断标准是有一些一般代表性，在种意义上覆盖了一个市场或一个使用范围而不是针对某一个特殊使用。

　　当一项特别使用成为测试程序项目时，测试可能被指定为性能鉴定测试。在这样的一个例子里，暴露条件常常是更特别的。根据环境和暴露时间       

表1.1　连接器测试类型

类型　　　　暴露条件　　　　　测试手段

环境测试　　混合的流动性气体　渗水性

　　　　　　温度／湿度　　　　温度升高

　　　　　　热老化性　　　　　潮气吸收

机械性能　　热振动　　　　　　抗拉强度

测试　　　　振动　　　　　　　摩擦系数

　　　　　　耐久周期　　　　　适配力

电气性能　　过载电流　　　　　接触阻抗

测试　　　　电流循环　　　　　转换阻抗

长度可更适当地反映对条件及特殊使用的需求。这同样是一个真实的测试手段及认可的判断标准。这样的测试是一个介于条件与性能测试的中间环节。

　　可靠性测试伴随着一个相似于用在别的合格或性能测试上的测试表。然而有两个主要区别。首先，可靠性测试要求在暴露测试和操作环境间存在一个比合格测试更严格的已知的联系，换句话说，测试可靠性必须在测试与使用上有一个加速因素是已知的。这也就是说，暴露在测试A中X天要等同于在使用B中Y年。这种要求通常无法满足，并限制了做可靠性测试的。第二点不同在重要程度和统计处理上的认可判断标准。条件测试认可判断标准，例如暴露条件中阻抗的最大变化是一般性的，所以它们的价值在于，通过广泛使用，提供可接受的性能。考虑到使用，可靠性认可判断标准将反映特殊要求，这将在很多案例中明显超过合格价值。但可靠性认可判断标准还将被运用去满足更严格的统计要求——在特定的相同尺寸和数据分析——超过那些用在合格测试程序中的要求。

1.7 结论

　　本节叙述的目的是介绍术语，并对于每个将在以下章节所提到的更详尽的主题讨论提供一个上下文背景。

第二章　接触界面及接触过程

　　在第一章已说过，接触界面的微观结构决定了电连接器的电子性能和机械性能。例如，可分离接触界面和永久性接触界面的电阻值和插接力以及耐久性都依赖于接触界面的微观结构。因些，有关接触界面的的基本结构和接触界面形成的过程的知识对了解接触界面对连接器的一些重要性能特征的影响是很必要的。这些知识，反过来，又会帮助理解界面的设计和制造界面的材料对创造和维护确实可靠的连接器特性的影响。下面的讨论将主要针对可分离接触界面，但是，这些相似的讨论也与永久性机械接触界面有关。

2.1接触界面的形状

　　如前所述，当把插头插入插座孔时，接触界面就产生了。威廉先生提供了一份说明界面产生过程的详细数据。

　　有时候，根据连接器和地球外表的相似点，使连接器接触点(a-spots)具体化是很有益的。事实上，乡村确实提供了一种非常有用的典型连接器接触界面的拓朴模型。山丘高度与山丘间距离的比例和连接器接触表面的微观拓朴模型是相当相似的。两者之差异大约在1%至10%之间。根据轮廓测定法(profilometric)和语义学(SEM)原理绘出的详细的连接器表面图与普通的地球轮廓图是相当相似的，而且把两个导体压在一起，就象把美国的佛蒙特州翻过来盖在英国的汉普夏郡，比例是1：3，000，000。

　　这个模拟例子阐述了关于接触界面构形的凸凹面的重要性，并且介绍了微观接触界面的形状，图2.1描绘了这种微观接触界面的形状。实际上，只有接触界面的高点，即微观凸面，能够相互接触。这些微观凸面被称为接触点。虽然它还受其它因素的影响，但是接触点的数量取决于接触面的粗糙度，这一点以后将详述。由于尺寸太小(微米数量级)；即使在“板对板”阶段，在一克力的作用下，这些接触点也会因发生塑性变形而被破坏。这个破坏要持续到一个足够承受施加负荷的接触表面形成时。威廉和格林针对这一问题作了详细的讨论。

　　从应用的角度看，上述讨论暗指实际接触界面的大小仅取决于施加的负荷。对于一个连接器来说，该负荷对应于接触正压力。对于典型的连接器，接触界面仅有一小部分(1﹪左右)是接触的。

　　接触正压力决定接触面积，但如何分配这些接触区域则取决于接触界面的几何形状。如图2所示，球面接触将形成无数个圆形接触点。

　　因些，接触界面的构形依赖于接触界面的粗糙度，该接触界面的粗糙度又影响接触点的数量、施加的负荷(该负荷影响接触面积)和接触界面的几何形状(该几何开关又影响接触点的分布)。

　　接触点的数量与接触界面的依赖关系是合理的，下面将作进一步说明。按照威廉和格林的观点，初始表面粗糙度决定接触点的数量，但是有多少接触点能接触却依赖于施加的负荷。连接器表面开始接触时，只有最高的接触点能接触导通。这些一开始就接触的接触点的变形使得接触界面越来越相互靠近，这样，其它比一开始就接触的接触点稍低的接触点也逐渐实现接触导通。随着负荷的增加，这样的接触点将依次变形。当足够数量的接触点变形到某一程度，即，当所有接触点面积之和足够支承施加的负荷时，这种变形便停止了。如果引用一个硬度的概念，那么，对这个过程就可进行直观的描述了。材料的硬度是用力和单位面积比来定义的，例如克力每平方厘米。也就是说，如果某材料的硬度是10克力每平方厘米，那么一个10克力的负荷或力将产生1平方厘米的接触面积。那么，接触点的数量就依赖于表面接触点和施加的负荷。

　　接触界面的宏观几何外形(例如球面与平面平面接触)决定了机械接触面积在整个接触面积中的分配方式。图2.3描述了影响的过程，该图用实例说明了当外载荷增加时，接触点的尺寸和数量也相应地变化。

　　摘自Green Wood的图2.4提供了一个上述观点的实验依据，该实验显示，当一个钢球分别用两种不同的载荷，如20克力和80克力去挤压一平面时，两者的接触界面就产生了。该实验表明，在载荷作用下，接触点的数量、单个接触点的尺寸，以及由无数接触点组成的宏观接触区域面积都将相应地增加，这一结果与上面的论述完全相符。

　　接触界面的粗糙度或接触点模型可以描述如下：

接触界面是由分布于宏观接触区域上的接触点组成的。宏观接触区域的大小取决于接触界面的几何外形。接触点的数量和大小处决于表面粗糙度和负荷。负荷也决定了接触界面的光洁度。

　　这种模型描述了接触界面上的机械构形，但是它仅仅从微观上描述了接触界面的外形。然而，考虑精炼炉的细微表面，甚至其表面的原子或分子结构都是非常重要的。所有的金属表面都覆盖着一层原子数量级的薄膜。图2.5简要地表达了几种可能覆盖于金属表面的薄膜。在金属表面的最外层可能是大量的化合物薄膜。氧化物是最常见的一种，其它物质(如：硫化物、氯化物以及复合膜)也可能存在，这是由金属材料和金属暴露环境条件决定的。不同金属的热力学性能和运动学性能差异很大，热力学性能决定生成何种薄膜，运动学性能则影响薄膜的生成快慢。

　　如果考虑接触界面镀层的话(这一点将在第三章论述)，那么上述薄膜对连接器性能的影响就显得相当明显了。事实上，如第一章所述，接触界面的镀层可以分为贵重元素(不易发生化学反应的元素，如，金)和非贵重元素(如，锡，该元素表面通常有一层薄薄的氧化物层)。因此，可以认为：生成化学膜的类型以及生成速度都依赖于基材金属和环境中的化学物质。除了化学物质以外，环境温度和湿度也在薄膜生成时扮演了重要的角色。

　　除了上述化学膜以外，其它复合膜(特别是含水量、组织以及各种各样的其它污染物和微粒)也可能存在于金属外表。这些复合膜也可能对连接器的机械和导电性能产生很大的影响，这一点将在以后阐述。

2.2接触界面和机械性质

　　本部分主要讨论点接触模式决定的接触界面的机械特性，尤其是对摩擦和磨损的影响。从连接器性能的角度来看，摩擦的重要性在于它对于连接器配合力的和接触界面的机械稳定性的作用。在连接器性能显然退化之前，磨损过程将影响连接器能经历的配合周期次数。点接触模式对摩擦和磨损的作用可以由图2.6中得到解释。在图例中展示了两种点接触方式，其中a区接触时间比b区接触时间更长且经历的变形量更大。如2.2.2部分中所述，在这些条件下a区的接触面积将大于b区，也就是说a区的连接将会更比b区稳固。此时a区的剪切力(或剪切强度)也比b区大。这种变化将会影响点接触的摩擦和磨损。

　　为预测将会遇到的问题，摩擦和磨损是两种不同的方法，来描述点接触界面在受到压力之下的分离。接下来的讨论仅仅涉及到单一点接触模型。当然接触界面的性能将会影响多个的点接触结构以及由各个独立的点接触性能总和表现出来。此时将首先考虑摩擦作用的影响。

2.2.1 摩擦

　　摩擦表现为一个力量，其作用是阻止两个接触表面之间在受到剪切力的作用下沿相对的方向移动。摩擦力可以由公式2.1来确定：

　　　　　　　Ff=μFn      　　　　　　　　　　　　　（2.1）        

其中，　 Ff==摩擦力

   　　  μ==摩擦系数   

          Fn==维持两表面接触的力---对连接器而言是接触正压力

　　由Rabinowitz的理论，摩擦力可看作是分离两表面间连接的必需力量。摩擦力可以从下面公式中，由接触界面强度而进行简单的估计：

         　　　Ff=τs Ac 　　      　　　　　　　　　　（2.2）

其中，　　τs==剪切强度系数

　　　　　Ac ==点接触面积

接触区域与硬度，H(接触高度)，以及由等式(2.1)中的力Fn 有关：

                Ac =κH/Fn                                （2.3）

比例常数κ由很多参数而定，例如表面镀层的作用，润滑的状况，表面粗糙度，接触正压力以及变形的种类(弹性/塑性变形)，由此，我们将公式(2.1)与公式(2.3)合并后可得到：

               μ=κτs／H            　　　　          （2.4）

　　如Rabinowitz 所提出的，剪切强度和硬度同样要由材料的性质来决定，因此公式(2.4)中的系数可以被看作为1的常数。

　　在实践中，摩擦系数是从0.05到>1不等，与理论上的偏差仅仅反映的了假设的简化模式的限制，尤其是接触总面积是金属以及表面的分离产生在原来的接触界面上。

　　低的摩擦系数值表明接触表面是由镀层覆盖的，其中有化学联接层(如氧化物)，吸收层(如水或有机物)，以及趋向于应用的润滑剂层。这些涂层对于减少这两种机械接触表面的剪切强度都是非常重要。

　　位于接触端的氧化层可减少金属接触面积。氧化层能支持但并不能促进机械式的金属接触。减少金属接触面积将导致剪切力的降低，其最终的结果是摩擦系数的减少。

　　有机涂层尤其是润滑剂，提供了在两表面间具有更低的剪切力的接触表面和inhabit金属接触层，尤其是两表面之间具有相对运动。

　　高的摩擦系数表明，点接触的塑性变形作用和金属性连接的产生，将会导致比基础金属材料更高的剪切强度。应用到接触界面上的剪切力将会导致在接触界面上一定距离内接触碎片的产生，此时将会导致更大的碎片接触表面积同时也将导致更的摩擦系数。使连接的碎片从原来接触表面中分离出来的可能性提供一种磨损过程的模式。

2.2.2  磨损过程

　　正如Bowden以及Tabor所提到的，摩擦和磨损过程要由接触表面的分布位置而定。如前现所提到的，点接触塑性变形将会由于加工时的变硬而导致接触强度的增加。除了加工变硬之外另外一机理同样很重要：也就是冷焊。冷焊与经过接触界面联接的产生有关，而此接触界面是出现在两金属表面将成为intimate接触时。 在此条件下，相同的联接机理将对金属的粘着力量起到作用。事实上冷焊界面的强度高于基础金属，这是因为变形时产生加工硬化。这种可能性对在受到剪切力作用下的接触将会产生很大的影响，也同样要对磨损机理产生影响。现在回到图2.6中的a-区域，考虑一下当给定冷焊接触界面的模式时接触界面的分离怎样出现。在剪切力的作用下假定a-区经过了冷焊，将会从原来的接触表面中分离出去，导致磨损碎片的和金属转移，此时情况如图2.6中的下部所示。b -区部分具有较低的变形，因此也具有较低的冷焊时的加工硬化，也将会在原来接触表面的附近产生微小的分离，也就是说基本上没有磨损和金属转移。

　　前述提到的磨损过程中，a区为粘着磨损而b区为光滑磨损。粘着磨损的特性是高的摩擦系数和在两界面间出现金属转移，而光滑磨损过程是低的摩擦系数和极少的金属转移。应当注意到磨损是一个动态的作用过程，它只是当两接触表面间有相对的运动时才会产生。在此运动过程中，连接增长和prow 成形将会随着大量的接触界面的形成和分离而出现，此时的结果将是磨损过程分布在其滑动的轨迹上。粘着磨损和光滑磨损轨迹上表面分别是粗糙和光滑的，此时可从相对的金属转移量而定。

　　同样应当注意的是，如果a-区分离产生的转移磨损部分，将会在接触界面上产生如研磨一样的作用，这是由于它将产生的加工硬化，这里也就提到了第三个磨损机理：研磨磨损，如Antler所提到的，研磨磨损将会导致接触界面的磨损率的增加。

2.2.3表面薄膜的摩擦和磨损

　　表面膜对摩擦力及磨损的影响可通过分析图7加于讨论，图7大致显示了摩擦力系数的变化，µ，作为随负载变化的函数。负载变化开始及其存在的范围依赖于表面膜，构造或化学接合和表面润滑状况。摩擦系统数随负载的变化能从小于0.1到大于1.0。据等式（2.5）显示，磨损系数κ，有相同的变化趋势，但因为磨损机理的变化其变化阶数很大，例如，接合处增大与凸头的形成。

　　首先考虑摩擦。低负载状况下，氧化物的破损与脱落是不完全的，只有一小部分金属接触面产生及粘附，导致低摩擦系数。随负载的增加，表面变形增加，从而使表面氧化物破裂十分容易。随金属接触面的增大，摩擦系数亦跟着增加。最终，金属接触面变得很大，摩擦系数稳定下来。

　　相似的情况在磨损系数变化中也可以见到。磨损系数可由一简单的破损等式确定：

    　　　　　 v=κFn L/H   　　　　　　　　            （2.5）

此处 v==通过单程长度L的容量

     H==硬度

     Fn==负载

     κ==磨损系数

　　在该状况下，如前面所述，磨损系数集中于破裂的连接处。低负载情况下，小接触面积及极小的冷焊导致小连接处增大及凸头形成，并伴随小的磨损在原始接触面附近发生分裂。负载超过一定范围，磨损系数依赖于两种材料特性与接触形状，通过接触增大与凸头形成，表面薄膜破裂的增加促进了冷焊的形成和导致粘附性磨损的增强。随这种磨损机理转化的产生，磨损系数便显著发生变化。变化负载也依赖于接触面的润滑状况，是因为在滑动期间润滑对接触形成动力的影响。有效的润滑可减少与摩擦系数及磨损系数二者有关的金属接触面。Antler建议，对硬金属接触面而言，由光滑磨损向粘着摩擦变化所需的负载，无润滑接触面大约需要10克力，而有润滑的接触面则超过500克力。通常金镀层电连接器的正压力范围从50克力到200克力，暗示了使用润滑可延迟粘着磨损的发生。但是，该情况并非必定出现，因为在前述期间全部接触表面形成了污染膜 。这些污染物能提供表面润滑，虽然是以污染的方式。Antler指出这些偶然被污染的接触面可承受的负载范围大致为从25克力到250克力。为确保一致的低磨损状况，有计划的润滑是有益的。接触润滑将在第三章讨论。

2.2.4　机械特性小结

　　接触面的机械性能，尤其是摩擦及磨损，强烈依赖于接触面粗糙微结构，因为这些粗糙微结构很小，它们在较小的负载下发生弹性形变而导致微结构接触面的工件硬化及冷焊的发生。接触点，接触点的破碎决定了接触面的摩擦系数及磨损系数。摩擦系数影响接触面的配合力和电连接器接触面的耐磨损持久性。

2.3接触面形态及电气特性

　　影响摩擦及磨损的相同结构及薄膜决定了接触面的电气特性。简单而言，本讨论从金属接触面开始，薄膜的影响将在后面考虑。

　　两个金属面接触产生一电阻，术语称之为接触面压缩电阻，压缩电阻产生的根源，如Holm所描述，是一个基本的结果并可通过图2.8加于说明，接触面接触点微结构使电流被压缩为仅从接触点通过，因而会产生“压缩电阻”这一术语。根据Holm所述，对单一接触点来说，压缩电阻由下式确定：

　　　　　　　RC=ρ1/2α+ρ2/2α      　　　　　　　（2.6）

此处   ρ1与ρ2==接触材料的电阻系数

               α==接触接触点的直径

　　如果两种材料相同，（2.6）式可简化为：

    　　　　　Rc=ρ/α                   　　　　　　　（2.7）

　　应该注意的是压缩电阻是一种几何形状上的效果。这就是说，如果如2.8图所描述的几何形状是因为在实心原料上加工一细小凹槽而形成接触点，尽管没有接触面存在仍有压缩阻抗产生。流过变小了的通过面的电流的压缩是因为接触面结构的相互独立。这种接触面构造能够导致阻抗的增加超出根据式（2.7）所得出的结果，例如薄膜，但是减少压缩电阻的唯一方法是增大接触面积。

　　为了本讨论的目的，多个接触点及它们接触电阻的分配对总接触电阻的影响可由图2.9说明。插入的等式表明分布在同一接触面的单一接触点和多个接触点的压缩电阻依赖于其接触面的几何形状。而多点接触等式与通常接触表面更为相关：

      　　　Rc=ρ/nα+ρ/D       　　　　　　　　      （2.8）

    此处    ｎ==接触点的个数

　　　      D==接触所分布平面的直径

　　该等式表示一系列宏观压缩电阻的合成决定于各个接触点的微电阻以及这些接触点所分布的接触面积。图2.10说明了这两种作用。第一条件明确了并行排列的多个接触点的阻抗。对金属导体而言，这种情况的电流压缩与接触面非常接近。第二个条件则表明了电流压缩通过分布接触面的结果。等式（2.8），可清楚表明，当接触点的接触数目非常大（数以十计）时，第二个条件尤其依赖于接触点的分布。在这些条件下，图2.9提出了一种近似的压缩电阻的第三等式。对显示的这种情况，其假定了接触点的圆形分布，分布面积（因而其直径）能够从接触材料硬度及其提供的压力中得到，结果如式（2.9）。

　　　　　　　Rc=κρ√（H/Fn）        　　　　　　  （2.9）

此处       κ==与表面粗糙程度，接触形状及弹性形变有关的系数

            H==硬度

            Fn==接触正压力

2.3.1金属界面的压缩阻抗

　　对以上这样简单的等式的论证在插图2.11中会有所提示，从具体角度来讲，它所涉及的就是针对接触表面为铜、镍、黄铜及锡这四种金属其各自的接合力以及相对应的压缩阻抗之间的对比关系。从图中可得知该接合力非常大，虽能保证一个较大的接触面积，但是接触表面的镀层金属容易被破坏，该两者之间的相互关系可用等式(2.9)来表示。图2.11中的表格所列的是关于三种金属的硬度及电阻系数。为了减小对压缩电阻的影响，必须控制接触面的粗糙度，对铜、黄铜、镍三种金属均应如此。对于锡，由于其极易遭磨损破坏而通常不用于直接受力部位，因此对其粗糙度不作讨论。首先来讨论关于铜的一些数据。图中虚线表示计算值，实线表示实验测试值。可以看出虚线与实线重合的非常好。对于锡和镍，图中仅仅显示了其测量值，因此对其只进行相关的讨论。注意到镍具有比铜更高的电阻系数及硬度。由于电阻系数及硬度与压缩电阻的关系分别为线性及平方根关系，因此镍的压缩电阻值会是铜的八倍。比较其测量值可看出接触压力为一千克力左右时，其重合度较好。对于锡，其电阻系数增加了十倍而硬度却降低了五倍，因此其压缩电总体上增加了，但这并不是说光考虑电阻系数的大小就能判断压缩电阻，因为其接触面的面积会增大。这些数据表明根据点接触模式导出的2.9式是正确的。

　　然而，在连接器涂层部分，上述简单的等式运用起来受到干扰而变得复杂。因为在涂层部分需考虑到各层之间的相互作用使系数K很难决定，导致很难决定适当的硬度及电阻系数。在具有锡涂层的黄铜接触面，其利用锡的硬度和黄铜的电阻系数，如图2.12所显而易见。

　　通常锡涂层的厚度会大于2.5微米，锡是一种十分软的金属，接触面磨损通常发生在锡涂层里。另一方面，有两个原因导致电流的压缩主要产生在接触弹片即黄铜涂层上。首先，黄铜的传导率略等于锡的传导率的2.5倍，因此在尚未接近有压缩变形的接触表面时，电流在黄铜中的分配会保持恒定。接触部分的面积与接触弹片横截面积的比越小则这种效果就越明显。

　　由图2.13所示可显而易见这种选择的正确性。压缩电阻是通过等式(2.9)对锡的硬度及黄铜的电阻系数进行换算而得出，其可变的接合力是被指定在虚线所包括的范围。覆盖在黄铜表面厚度为2.5微米的锡涂层的测量电阻，作为接合力的一个特性而绘制成一条实线。该实线与虚线具有良好的重合性，而锡涂层的厚度若为12.5微米，则其测量电阻值实线与计算值虚线产生了较大的偏移，其原因可由图2.14的例子说明。厚的锡涂层对压缩电阻导入了较大的电阻（主要是因为锡的电阻系数较大的缘故）。

　　显然，等式(2.9)的运用具有一定的限制条件，最起码要先了解设计及选材对压缩电阻的影响，尤其要知道一般接合力及接触面的分布是决定接触电阻的主要因素。接触面的分布主要依赖于接触面的宏观几何形状，亦即插座端子与插头端子各自接触表面的几何形状。

2.3.2  表面氧化物的接触电阻

　　也许在这里还有必要重提等式(2.9)所介绍的金属接触，不论是何种金属涂层，其上均会附着一层诸如氧化物之类的化学物质，则前面所提及的接触面变形实际上就是指这些氧化物的变形。至于表面氧化膜，不管是开头所提到的还是在连接器的运用中出现的，均是影响接触界面的不利因素。选择合适的接触面镀层将对生成的氧化膜起着决定性作用，不仅可决定氧化膜的种类还可决定其受到破坏的容易程度。这类话题将在第三章中作详细讨论。

　　如果表面氧化膜并没有消除或只是部分被消除，其结果将导致给压缩电阻额外加上一个电阻。氧化膜电阻可有两种存在形式，如图2.15示。如果氧化膜没被消除，伴随压缩电阻的产生将会产生氧化膜电阻（如2.15图左侧示意）。如果氧化膜被部分消除，则该氧化膜电阻会成为有效电阻与金属压缩电阻并联（如2.15图右侧示意）。这种高阻抗的氧化膜电阻由于金属接触导通而相当于被有效地减小了其厚度。但是，从整体上来讲，电阻值还是升高了，原因是氧化膜的存在减小了金属接触面的面积。

　　表面氧化物引起的电讯衰弱．氧化物的电阻系数可以为很高，相当于半导体到绝缘体的电阻系数范围，并具有高度可变性。氧化物的可变性可发生在以下三个化合物性质方面：

　　．成份

　　．结构

　　．厚度

　　这三个性质，均与氧化膜形成的条件有关。特别是环境的成份，温度，湿度对氧化膜的结构、性能起着决定性作用。由于氧化膜的易变化性，所以对氧化膜进行机械性的破坏是处理氧化膜的首选方法。

　　然而，氧化膜的结构却有利于与电相关的方面，Wagar和Holm均对此作过详尽描述，现简要地概括如下。一个电场穿过一绝缘体或者一高阻抗薄膜将会导致产生新的机构，如电桥、可提供fritting的机构，用一临界电场导致电压穿过氧化膜是实现这一目的的必要条件。可是，更多的情况下临界电场（甚至是临界电压）也是依赖于更前面所提及的可变因素：表面氧化膜的厚度、组成及结构。另外，当电桥产生以后，电桥的电阻也要依赖于电流的大小。该等电阻的可变化性加上电压需求的可变化性会导致表面氧化物的电子故障并给一般的电子应用带来麻烦。 

　　表面氧化物的机械破裂．因为制造一金属接触界面的需要，表面氧化物的机械破裂在连接器上尤其重要。马口铁（镀锡铁皮）以锡作为接触镀层来源于这样一个事实，即马口铁表面上原有的氧化物薄膜在连接器对接时很容易破裂和转移。氧化物转移的机理如图2.16所示。在马口铁表面覆盖有一层又薄（几十分之一公尺）又硬又易破裂的氧化物薄膜，薄膜下的马口铁则又软又具延展性。当于此马口铁施加一接触压力时，很薄的氧化物层不能承受该载荷，又因为它很易破裂，在这样的条件下，载荷被传导进又软又具延展性的马口铁内部，其在载荷下开始流动，且随着马口铁的流动，氧化物薄膜扩大裂缝而马口铁通过裂缝被挤出。此外，马口铁表面开始形成可电性导通的区域。威廉姆斯在铝而不是在马口铁上证实了这种机理，如图2.17所示。图2.17之左图表示当一球载荷施加在铝平面上时，铝表面上的氧化物所发生的破裂；右图表示在铝的表面氧化物被去除此之后，原来发生破裂的区域。在铝的氧化物界面上，铝被明显从裂缝中挤出，而比铝更软的马口铁则更易受这一机理的影响。图2.18的数据可证实上面的假设。图2.18表明对于一个铝与铝相互接触的系统，接触阻抗对应于接触压力的关系。

　　接触几何形状的研究包括半球面而不只是平面，加载与卸载的数据都表明：甚至在很小的接触压力下，当加载时，马口铁的表面氧化物很容易地转移是接触阻抗急剧下降的一个象征，这暗示一个金属接触界面的创建。进一步的金属接触的证据能够从以下事实被推证，即随载荷的移动，低阻抗价值被保持。这种特性被解释成为在接触界面发生了冷焊。随载荷的降低，冷焊维持完整的界面。更进一步的冷焊的证据是事实上，在许多情况下，对于卸载时的分离接触，一个确定的压力是必要的。泰姆塞特在研究铝的接触时证明了同样的特性。

　　在图2.18的载荷条件下，从软和硬的物质上薄膜转移的不同可以得到图2.18与图2.19的数据比较．在这个例子里，对于半球面和平面，接触金属都是铜合金C72500(89%铜9%镍2%锡)。空气中热老化性导致了表面氧化物的形成。C72500明显比马口铁硬所以在载荷条件下的破裂会更低。因为正是破裂驱使裂缝和表面氧化物分离的产生，而在C72500比在马口铁上更难转移氧化物。此外，C72500通过裂缝挤压而出的部分将更少。这些不同如图2.19所示。随载荷的施加，对于分裂表面氧化物，更高的接触压力是必要的。直到100克力被施加，否则不会发生接触阻抗的明显下降。由于C72500比马口铁更硬，所以它上面的接触点会更小。此外，变形的减少将导致更少的氧化物的分离与挤出。因为金属接触区域的减少，这些机理影响下的组合会导致更高的接触阻抗。C72500的卸载特性也不同。它比马口铁具有更好的弹性，也经历更多的弹性变形，并随载荷的移动发生弹性回复。这会产生分离表面及打破接触点的趋势。正象所指出的那样，在低于60克力时接触阻抗的增加。以上数据表明，至少在微观上，当缺少残余应力去提供接触界面的机械稳定性时，单纯依靠冷焊不可能足以维持接触几何形状界面。这个事实会在以后被重提，并将在讨论卷曲连接时表现出其它的意义。

2.3.3　总论

在电子与机械方面，接触界面的粗糙模式都提供了解释。简单说来，接触界面形态论依靠(depend on)表面粗糙度、接触界面上的压力和接触表面的几何形状。表面粗糙度强烈地影响粗糙接触点创建的数目。接触界面压力，决定全部的接触区域，而接触弹性几何形状决定遍及(over) 粗糙分配的区域。这解释了为什么接触压力和接触几何形状是主要的设计对数的原因，并且这两个因素都将在6.2节中详细讨论。

第三章　　接触镀层

大多数电连接器使用接触镀层的原因有两个。首先保护接触弹片的基材金属不受腐蚀，其次是优化接触界面的性质，尤其是连接器的机械和电气性能。

　　首先应考虑腐蚀防护。大多数电连接器接触弹片是由铜合金制成，而铜合金在典型的电连接器工作环境中容易受到腐蚀，如氧化和硫化。实际上，接触镀层是用来封闭接触弹片与工作环境隔开以防止铜的腐蚀。当然，镀层材料在其工作环境里必须不被损害（至少在有害的范围内）。作为腐蚀防护重要功能的同时，优化界面是选择合适的接触镀层材料的考虑因素。

　　与机械性能有关的参数主要是影响镀层的耐久性、或磨损，以及配合力的因素。正如第二章所提到的，事实上这些要考虑的因素，是在相同基本效果下的两种不同的看法，即多点接触界面在相对运动过程中冷焊连接的分离。最重要的机械性能包括硬度，延展性和镀层材料的摩擦系数。所有这些性质要依镀层材料的内在性质及其所运用的工作过程而定。

　　电气性能的优化可从如下方面考虑，即对已经存在和即将形成的位于接触镀层表面薄膜的控制。如第一章讨论的，电连接器电气性能的一个主要需求是建立和维持稳定的连接器阻抗。为达到这个目的，需要一个金属接触界面以提供这样的固有稳定性。建立这样的接触界面需要表面薄膜能在接触配合的时候避开或分裂。这两种不同的选择明确了贵金属或稀有金属和普通金属之间的区别。

　　在不同程度上，贵金属镀层(如金，钯以及它们的合金)其本质对表面薄膜来说是游离的。对这些镀层来说产生界面的金属接触相对较简单，因为它仅仅需要接触表面的伴随物在配合时的移动。通常这很容易实现。为维持接触界面阻抗的稳定性，连接器设计要求应注意保持接触表面贵金属性以防止外在因素如污染物、基材金属的扩散以及接触磨损的影响。以上每个因素都将加以详细讨论。

　　普通金属镀层—特别是是锡或锡合金—其表面都自然覆盖有一层氧化薄膜。锡接触镀层的利用，是因为这层氧化物容易在配合时候被破坏，这样金属接触就容易被建立起来。电连接器设计的需求是能保证氧化膜在连接器配合时破裂，而在电连接器的有效期内确保接触界面不再被氧化。再氧化腐蚀，在磨损腐蚀中，是锡接触镀层最主要的性能退化机理。银接触镀层最好被当作是普通金属镀层，因为该镀层容易受到硫化物和氯化物的腐蚀。由于氧化物的形成通常也把镍镀层当作是普通金属。

本章将讨论接触镀层材料和电连接器的选择标准。在讨论材料之前先按次序讨论一下采用接触镀层的主要方法。

3.1镀层方法

　　有几种方法在接触镀层中得以运用。主要有三种技术：

　　．电镀（electrodeposition）

　　．喷镀（cladding）

．热浸（hot dipping）

3.1.1电镀

　　电镀是在连接器制造中，在接触弹片上加以镀层有最为广泛的使用方法。这里仅对其基本过程作一简要描述。更为详细的讨论可见于Durney和 Reid以及 Goldie的论述中。

　　典型的电镀单元如图3.1所描述。电镀是电镀液中的金属离子沉积到阴极(本图中是接触弹片)，其中金属离子可来自电镀液中的可溶性阳极，以补充沉积到阴极上的金属离子。在这个简单的单元中，沉积电镀过程主要是由溶液的化学作用和阴极表面的电流分布来控制。

　　原则上电镀过程的现象描述是非常简单的。镀层材料如金，沉积在底层基本金属不同的点上并且在电镀过程中在镀层的表面渐渐加厚。达到一定厚度时，镀层“完全地”覆盖在底层金属的表面上。围绕“完全”这个词的引证都是为了揭示这样一个事实，即镀层覆盖的程度由基材金属的表面特性和清洁程度以及电镀过程而定。电镀过程中最普通的缺点是在镀层上有很多孔隙（pores）。这种多孔性（porosity）和它对接触性能的影响将在后面的章节中讨论。

　　大多数电连接器接触镀层是在不断循环往复（reel-to-reel）的过程进行以充分利用这个过程的成本效用。在本世纪七十年代和八十年代初期，大量的努力都是为了减少电连接器镀层中金的使用量，因为当时其价格高达800美元。减少金镀层的厚度（如后面章节中将讨论的，利用镍底层是可能达到的）和控制金的数量及其在接触处的位置取得了极大成功。

　　接触镀层电镀通常有三种类型：完全电镀（overall），局部电镀 （selective），双重电镀（duplex）。上述例子可见图3.2所示。正如所预料的，完全电镀（overall）是镀层完全覆盖在接触表面上。锡接触通常是完全镀层。对贵金属接触而言，出于对成本的考虑一般采用局部电镀（selective ）或双重电镀（duplex）。在这两种情况下，贵金属是有选择性的运用于可分离性接触的末端，而此运用不同于在永久性连接或其末端中镀层的运用。选择性接触镀层有用在永久性连接上的金镀层，但镀层厚度在每一末端可能不同。双重电镀（Duplex）通常都是镀在永久性连接末端的锡或锡合金。

应当注意到电镀材料的性能，尤其是贵金属，它与相同的锻造性材料（wrought form）有很大的不同。一般来说，电镀材料更硬而延展性较差，且比锻造性材料的密度小。其变动范围与材料本身和电镀过程均有关系。

3.1.2 喷镀

　　喷镀是指在高压作用下以机械结合的方法将两金属接触面结合到一起。通常有三种方式：完全喷镀（overlays） ，选择喷镀（toplays） 和镶嵌喷镀（inlays）。其中完全喷镀（overlays）完全覆盖底层金属。选择喷镀（Toplays）仅仅有选择的覆盖底层金属表面的一部分。镶嵌喷镀（Inlays）是包覆金属的一种特殊情况，其接触镀层材料是有选择性的喷镀在开有沟槽的底层金属上。所开镶嵌喷镀沟槽可提供清洁的接触表面以促进结合的可靠性。连续不断的减少是为了得到条状金属以达到最终需要的厚度从而增强金属结合的压力。此外结合增强因为相互扩散过程而发生在热处理过程中。更多关于喷镀（cladding）方面的数据可见于Harlan。

　　镶嵌喷镀（inlay）和电镀接触镀层之间有两个主要的不同点。第一：镶嵌喷镀使用锻造材料，这样使得其接触镀层的材料性能与电镀材料的性能不一样。第二，与电镀相比其可用的材料范围更广。特别是贵金属合金如WE1(其中金69 ﹪-银25%-钯6%)以及钯60%-银40%合金作为镶嵌喷镀（inlay）材料是不能用在电镀过程中的。

锡和喷镀层或镶嵌层同样用在电连接器中，但并不总是用作接触界面。这些覆盖材料通常是在接触末端提供可焊接的表面。

3.1.3 热浸

　　在电连接器运用中，热浸仅用于锡和锡合金。在下面的讨论中锡包括锡合金—在大多数情况下，指锡60%-铅40%或  易熔的锡-铅合金。热浸包括将条形金属通过熔融的锡溶液使其表面镀上一层锡。其厚度控制是由不同的过程包括空气刀（air knives）及空气刷（air wipers）。典型的厚度，和厚度控制因此也由加工过程而定。

从一接触界面的透视图可以看出，热浸和镶嵌喷镀或电镀锡镀层之间最大的区别是在热浸过程中形成金属间化合物。甚至在室温下，铜-锡金属间化合物形成的同时，如果不小心热浸能产生大量金属间化合物。过多的金属间化合物不能提供可接受的接触性能且对接触的可焊接性能产生负面影响。　　　在热浸的时候将会产生金属间的厚度，为确保接触表面是事实上是锡而非金属间化合物，必须小心控制热浸过程中金属间化合物产生的厚度。

3.1.4 总结

采用三种方法将会在接触镀层的性能上产生不同的特性。电镀镀层通常比喷镀镀层更硬而延展性更差，很接近锻造材料的性能。热浸镀层仅限用于锡和锡合金。

3.2 接触镀层材料

接触镀层将分两类进行讨论，贵金属镀层和普通金属镀层。贵金属镀层包括金和钯及其合金材料。普通金属镀层包括锡和锡合金，银和镍。本节的讨论从贵金属镀层开始。

3.2.1贵重接触镀层

　　贵金属接触镀层是一种系统，其中每个组件执行复杂的功能。为了理解对接触镀层的需求，必须理解组件间的相互作用。

　　贵金属接触镀层包括涂在底层，通常是镍表面的贵金属表层。贵金属表层厚度一般在0.4至1.0微米之间而其镍底层厚度一般在0.8至2.5微米之间。现在也开始使用厚度小于0.1微米的金镀层。如上所述，贵金属表层的作用是提供一(film free)金属接触界面以确保所需要的金属接触界面。镍底层是用于防止贵金属表层大量的潜在性结构退化（potential degradation mechanisms），有些退化机理是源于接触弹片的基材金属，同时其它退化机理则是因为工作环境的影响。镍底层的这些保护功能将在后节详细讨论。如前所述，最常用的贵金属接触镀层材料是金、钯或其合金。

　　金．金是一种理想的接触镀层材料，它不但具有相当优良的导电性能和导热性能，而且几乎在任何环境中，都有良好的抗腐蚀性。因为这些特性，金在要求高可靠性电连接器的使用中经常采用。但是金非常昂贵，因为该原因要考虑可替换的材料。关于金的替换性材料将在以后讨论。

　　金合金．金合金保持了纯金的许多特性同时其价格却比纯金低的多。金合金的运用已得到了各种各样的成功。成功的程度依赖于其熔合剂（alloying agent）的特性及电连接器预期的工作条件。合金处理将提高金的电阻系数及硬度和降低金的导热性及抗腐蚀力。其总的效果（net effect）是电阻有微小的升高但在环境稳定性方面却有潜在的重要降低。金硬度的提高使接触镀层的耐久性有了提高，但是，金合金的性能在一定范围的运用上可以接受的，所以它们不断地被利用。Western Electric 发明的金合金WE1，是一种69%金—25%银—6%铂的镶嵌喷镀镀层。

　　钯．钯也是一种贵金属但是，除了硬度以外，其与上面所述的金的许多重要特性都不相同。与金相比，钯有较高的电阻率，较低的导热率，以及较差的抗腐蚀能力。除了活泼性，钯还是聚合体形成的催化剂（catalyst），在有机水汽存在时，浓缩的有机水汽（organic vapors）通过摩擦运动集合在钯表面。这样的摩擦聚合体或棕色粉末（brown powder）会导致接触阻抗增加。钯的硬度比金要高，因此提高了钯接触镀层的耐久性。钯还有价格上的优势所以已大量用于电连接器，尤其是柱状端子（post）。但是大多数情况，钯的表面还要镀一层厚度大约为0.1微米的金（a gold flash）。Whitley ，Wei 和 Krumbein对用金钯镀层代替金镀层进行了讨论。

　　钯合金．有两种钯合金运用在电连接器上。第一，80%钯—20%镍的钯镍合金，一种可电镀合金，通常其表面也要镀一层薄金。第二，60%钯—40%银的钯银合金，它既用作接触镀层金属也用作底层金属，其表面通常也镀一层薄纯金，钯银合金是一种镶嵌喷镀材料。

　　合金处理对接触阻抗的影响．合金通过两种方式影响接触阻抗。首先，它改变了接触阻抗的初始值。其次更重要的是，它改变了环境中的稳定性（environmental stability）。下面的数据说明了这一点。软金，硬金（金—钴0.1），钯，80%金—20%钯金钯合金及80%钯—20%镍的钯镍合金等接触镀层金属在“可接受条件（as-received）”下其接触阻抗随接触压力的变化数据（如图3.3所示）以及加热到250度在空气中保持16小时后的变化数据（如图3.4所示）。

　　首先分析可接受条件下图3.3中的数据。所有上述材料在接触压力作用下具有近似的接触阻抗。该条件下这些材料的硬度、导电率及耐腐蚀性等方面差异都不明显。在100克力作用下（典型的电连接器接触压力值），接触阻抗大约在0.6至2.0毫欧之间变化。尽管这些变化是很明显的，但所有这些数值对大多数电信连接器的运用而言都是可接受的。加热后的数据（图3.4所示）则显然不同。

　　软金、金钯合金及钯几乎不受温度影响。这些材料几乎不形成氧化物或者没有形成氧化物的倾向。实际上，在温度辐射降低硬度(H)和电阻系数(ρ)过程中由于退火（annealing），阻抗值只有轻微的下降。硬度和电阻系数的下降对接触阻抗的影响可以从公式2.9得知，将其重新整理为公式(3.1)：

           　　Ｒc=kρ(H/Fn)1/2 　　　　　　　           （3.1）

　　但钯镍合金及硬金却表现出与之不同的特性，接触阻抗显著增加。在这两种情况下，接触阻抗的增加是因为表面氧化膜的形成。钯镍合金生成氧化物是因为合金中20%的镍。硬金中氧化物的生成则是由于钴硬化剂。钴很容易生成氧化物，甚至钴的含量很低(大约0.1%)，加热到250度很快会生成氧化物。氧化物快速生成的机理是钴元素在金中的扩散。由于钴原子随机分布在金原子矩阵中，无论何时钴原子到达表面，它很快就被氧化并附着在合金表面。最终表面钴的浓度远远高于其内部0.1%的名义含量值，钴氧化膜即导致接触阻抗的显著升高。因为该原因，钯合金很少用在温度高于125度的环境中。

　　这个简单的实验清楚表明了贵金属合金一个潜在的危险。金钯合金没有出现大的影响，如将要说明的，因为钯也是或相对而言也是一种贵金属。但金镍合金，因为镍强烈的氧化倾向，是一种非常不同的情况。合金的成份—特别是基材金属成份—在反应性环境（reactive environments）中对接触阻抗性能有很大的影响。

合成贵金属接触镀层．合成贵金属接触镀层包括一厚度为0.1微米（on the order of 0.1μm in thickness）薄金层，及覆盖的以降低在腐蚀性环境中合金表面活性的反应性表面。在电连接器上，通常在钯或钯合金表面覆盖一层薄金。金表面保持了金的贵金属特性的优点。钯或钯合金作为一种贵金属底层材料，其提供了大部分镀层的指定厚度。这些利用80%钯—20%镍的钯镍合金及60%钯—40%银的钯银合金的金属底层，由于与金相比钯或钯合金的价格低廉，其在电连接器上运用正在上升。

．小结．

总的来说，对贵金属接触镀层而言，有必要保持镀层金属的贵金属特性以防止外来因素对镀层的腐蚀。如孔隙腐蚀，暴露基材金属边缘或磨痕的腐蚀，以及腐蚀的蔓延等。镍底层对减少这些腐蚀的可能性是很重要的。另外，镍底层提高了贵金属接触镀层的耐久性。注意到两件式电连接器的接触镀层，尤其是印制电路板上用于配合卡边缘电连接器的衬垫，应具有相当的性能。

3.2.2 普通金属镀层

　　普通金属镀层与贵金属镀层的区别在于它们的表面通常存在表面膜。既然建立并保持金属接触界面是电连接器设计的一个目标，必须要考虑这些膜的存在。对普通金属镀层设计要求是保证配合时膜的移动和阻止以后膜的形成，主要通过它们确保接触界面的稳定性。接触正压力与接触几何形状，同电连接器配合时的插拔一样，对含有膜的接触表

面也非常重要。

　　将讨论三种普通金属接触镀层：锡，银和镍。锡是最常用的普通金属镀层。银镀层有利于高电流接触。镍所知道的是限于作为高温接触镀层。如前面所讨论的，镍作为贵金属镀层的底层非常重要。

　　锡及锡铅合金镀层．本章中，词‘锡’的运用打算包括广泛运用在可分离接触界面的93%锡—7%铅合金。第二种合金，60%锡—40%铅，主要用于焊接连接，本节将不作讨论。

　　如第二章所讨论的，锡作为可分离接触界面的运用源于锡表面大量氧化膜在电连接器配合时可能会移动（displaced）。这种移动是困为锡与锡氧化物的硬度相差很大。

　　但是，连接器的运用过程中锡表面的再氧化是锡镀层的主要退化机理。该机理，后面将要讨论的，通常称作摩损腐蚀。

　　银接触镀层．银因为跟硫和氯反应产生表面膜而被作为普通金属。硫化膜如果不破裂能在银接触时产生二极管的功能效果。电话机收发过程中的继电器运用（relay applications in telephony）会受到这种影响而致使银作为接触镀层的名声很坏。但是应该注意到，这些运用都是低插拔或者无插拔（low-or non-wiping），从而使接触界面对氧化膜非常敏感。电连接器配合时的插拔可减小这种敏感性。

　　银的另一个特性限制了它的使用。它能够移到接触表面致使接触间或印制电路板的衬垫产间发生短路（shorts）。Krumbein对移动过程提出了总的看法。

　　尽管银的两个性质，硫化物及移动，限制了银作为接触镀层的运用，但是如上所述，这种问题只是产生在继电器（尤其是无插拔继电器）而不是电连接器的运用上。

　　典型的银镀层厚度从3μm到8μm。通常，与相同厚度的金相比，银相对软一些（knoop 100），这也与它作为接触镀层的耐久性相对应。银表面的硫化膜也非常软且容易破裂。注意到因为硫化物的形成银不会经受磨损腐蚀是很重要的。氯化物与普通化合物不同其移动更加困难，因为氯化膜更硬且更粘附。包括硫化物与氯化物的腐蚀物的混合型膜可在有些环境里形成，这些膜非常坚固。但是在大多数条件下，银表面膜通过配合时的摩擦容易破裂。

　　银具有优良的导电性与导热性及高电流时的抗冷焊力。这些特性使得银成为优良的高电流接触的可选材料，在这些运用中应该考虑银接触镀层。

镍接触镀层．镍镀层因其表面紧帖的坚硬的氧化物而属于普通金属。镍表面氧化物可以被破坏，但是需要很大压力，因为镍氧化物的厚度具有自我限制特性（大约为100纳米），施加不到1伏的电压即能电解。利用镍的这种性能其可作为电极（battery contact material）。同锡相似，镍也非常易受磨损腐蚀。

3.3　选择可分离接触界面的接触镀层的考虑

基于镀层材料性能总的简要看法，本讨论选择性考虑电连接器上的贵金属镀层与普通金属镀层。膜处理，配合时表面膜的破坏以及避免以后膜的形成，对两种不同镀层的要求是不同的。对贵金属而言，保持其贵金属性以防止裸露的基材金属受到腐蚀正是我们所需要的。从这个目的上来说作为底层的镍的作用十分重要。而对锡镀层而言，防止磨损腐蚀则是首要的。

3.3.1 贵金属接触镀层系统的设计考虑

　　接触表面被履贵金属的存在，本身并不能保证a film-free 表面。为防止能够达到接触表面的接触弹片基材金属的蔓延，金属镀层必须连续并且有足够的厚度。贵金属镀层的中断能导致基材金属裸露部位的腐蚀。镀层中断可因整个制造和镀层过程的不同原因而产生。多孔性（porosity）已经提到，接触镀层磨损是基材金属裸露的另一原因。当然，多孔性与磨损非常不同，多孔性是制造问题而磨损则涉及到运用。无论是多孔性还是磨损原因，基材金属的裸露是令人担忧的（of concern），因为裸露的基材金属在典型电连接器的工作环境中可能受到腐蚀。接触弹片材料的基材金属成份蔓延到金接触表面能产生表面膜。正如将讨论到的，减少基材金属腐蚀的可能性是镍底层的功能之一。

　　进一步详细考虑多孔性。在电镀过程的讨论中，多孔性被描述为产生于电镀金属的运动（kinetics）。对金镀层而言，典型的多孔性对镀层厚度的曲线如图3.5所示。当然，这些曲线的形状及厚度同电镀金属特性及运用一样依赖于端子加工过程。图3.5说明了为什么电镀贵金属接触镀层厚度一般从0.4到1.0微米的一个原因，镀层厚度小于0.4微米，孔数增加很快。而镀层厚度大于1微米，孔数很少，从运用观点来看，其降低比率是微不足道的。

不必担心孔隙的存在，因为孔隙的位置不会实质性影响金属对金属接触面的产生。担心的是如果孔隙暴露了基材金属可能在孔的位置产生腐蚀。图3.6对该腐蚀机理作了阐明。腐蚀物可充满整个孔隙而且，更重要的是，如图示的那样，腐蚀物可从孔隙的位置移到镀层的表面。随着腐蚀物延伸到镀层表面，如果端子接近另一端子，例如相互摩擦，很可能干扰接触界面的形成或减少既定接触界面的接触面积。

　　多孔性对电连接器性能的影响是有争论的。根据刚才所述的机理，孔隙腐蚀可导致接触阻抗的升高，但多孔标准及其工作环境的相互作用决定该性能的退化速度和退化程度。镍底层对减少孔隙腐蚀可能性的作用将在后节讨论。正如所预料的那样，对处于混合流动气体环境中小体系电连接器的重要研究显示了电连接器性能随多孔性的退化趋势。但是并没有一个临界孔数标准。有许多高多孔性产品在预测最容易退化的环境里表现出良好的性能。后面将研究的电连接器中孔隙位置及其基座的屏蔽效果可以解释这种现象。

　　接触镀层的磨损，如所提到的，也可能导致基材金属的裸露。接触镀层的抵抗力，或耐久性决定于许多因素。包括：

　　．接触正压力

　　．配合间距

　　．接触几何形状

　　．磨损机理

　　．接触镀层

　　为了本讨论，我们仅考虑接触镀层的影响。其它因素对电连接器耐久性的影响将在第六章讨论。

影响接触磨损或耐久性的三个镀层特性是：

（1）镀层材料的硬度；

（2）镀层材料的摩擦系数；

（3）镀层厚度。

随硬度的增大和摩擦系数的减少，在其它所列因素的联合作用下镀层的耐久性将会提高。耐久性也会因镀层厚度的增加而提高。同厚度对多孔性的影响一样，为既定的运用选择适当的镀层厚度也会影响接触磨损或耐久性。至于材料的特性，须首先考虑硬度的影响。

　　电镀的接触金镀层通常是硬金（hard gold），即金镀层包含有硬化剂（hardening agent）。从根据Antler改编的图3.7，可以看出与软金（soft gold）或纯金相比，硬金耐久性有了提高。但是，通过使用镍底层，电连接器的耐久性有了更大提高。

　　钴是最普通的硬化剂，但镍也是很有效的。正如前面所讨论的，硬化剂的可能负面影响包括提高了腐蚀敏感性，降低了导电性与导热性及镀层的延展性。

　　因硬化剂导致的延展性的降低也能影响电连接器耐久性能。两种影响应同时加以考虑。延展性的降低能减少在既定压力下接触面积的增加，从而减少了粘附性磨损。但延展性降低能通过提高镀层破碎及促进研磨性磨损而增加磨损。

　　镀层的缺点，无论是多孔性还是磨损，因为它们位于可能发生腐蚀的裸露基材金属上，是令人担忧（of concern）的。如所提到的，镍底层对减少这些腐蚀非常重要，下面将要讨论到。

　　贵金属镀层中镍底层的功能․ 贵金属接触镀层系统中镍具有以下几方面优点：

　　．减少孔隙及缺陷位置的腐蚀（pore and defect sites）

　　．阻止腐蚀的移动

　　．减少基材金属成份的蔓延

　　．增加延展性

　　我们将分别讨论每个优点。

　　多孔性．图3.8基本表明了镍在减少孔及缺陷位置发生腐蚀的可能性与效果。该图也包括图3.6图示的没有镍底层的孔隙腐蚀说明。两者间最重要的区别在于在孔位置处的裸露的镍将形成可有效密封腐蚀孔隙的氧化膜。镍氧化膜的厚度是有限制的，典型为的100纳米，没有填满孔隙，更重要的是没有移动。类似的效果在缺陷位置包括磨痕也会产生。这种孔密封机理的效果在高浓度氯的环境中因为降低了氯对镍氧化物的影响就已经提出。但是，氯浓缩的必要性并没有很好明确。在这些环境中广泛的测试表明镍底层对很大范围的电连接器产品的优点。

　　图3.9显示了孔隙腐蚀对置于模拟工业暴露环境的流动的混合气体（flowing mixed gas FMG）测试环境中金镀层片（coupon）的影响。测试环境由十亿分之几数量级（parts-per-billion）的氯，氢硫和氮的氧化物组成为主要污染物，加上温度为25度的潮湿（湿度为75%）空气。在孔隙周围出现环状腐蚀，结果腐蚀物出现图3.6所示的腐蚀移动。这些腐蚀物的存在，当它们蔓延到接触表面时，对接触阻抗有很大的影响。

　　来自于Geckle的图3.10，提供了一些有关腐蚀物移动过程特性的实例。这些数据来自暴露在上段所述FMG环境中的金/钯/镍/铜合金镀层片，各层厚度分别为0.1、1.5、2.5微米。位于图中间的缩微照片显示了孔隙以及孔隙周围的环状腐蚀物。图上面一系列X—光线图显示了孔隙通过所有层的延伸。因为金、钯和镍层中信号的缺少及没有缺少的强烈的铜信号，孔隙的存在是显而易见的。裸露的铜是腐蚀物产生的根源。显示了主要腐蚀种类（major corrosion species）位置的更低的X—光线图，暗示了氧气主要停留在孔隙位置，氯可以轻微地移动，但硫腐蚀物明确局限于环状腐蚀物范围内。移动种类（species）明显包括铜/硫腐蚀物。

　　腐蚀移动．图3.11表明了一种评估腐蚀移动的实验方法。在这种情形下的五种不同系统，自镀有有益接触镀层系统的铜合金片（coupon）冲制（stamped）一圆盘形状。冲制过程产生暴露的基材金属边缘，其在FMG暴露环境为可腐蚀位置，暴露后的腐蚀移动大致与上述描述相同。图中插入的数据提供了暴露在FMG环境一定时间后腐蚀移动距离的实验性数据。该数据揭示了两种所关心的效果。

　　第一，注意到金表面腐蚀物的移动距离比钯大，依次，钯表面腐蚀物的移动距离比镍大。

　　第二，镍底层将金和钯镀层腐蚀物的移动距离减少了一半。

　　这两种效果可以根据腐蚀物移动的运动学，以一种简单但又关联的方式加以简明。基本的假设是腐蚀物在光洁表面扩散得很快，这种现象可能是因为表面张力的影响，类似于湿润现象。腐蚀物在表面自由扩散以至于超出表面膜。光洁金表面不会产生氧化膜。钯是一种催化剂（catalytic）材料，易于在其表面形成一层有机薄膜，且在测试环境里是反应性的（reactive），这一点将在后面章节讨论。在测试的暴露环境里（in the test exposure），钯表面很容易形成氧化膜。镍，正如所提到的，也会形成一层表面氧化膜。在已知假设下，腐蚀物的移动符合数据所显示的模式，腐蚀物在金表面扩散得最迅速，钯次之，镍最慢，这就解释了上述所观察到的在三种镀层金属上腐蚀物具有不同的扩散速度的原因。

　　第二次观察，镍底层上腐蚀物的移动距离仅为金底层的一半，是因为镍阻碍了腐蚀物的扩散。在这种情况下，镍底层就象铜合金与贵金属镀层之间的栅栏。虽然镍能够阻碍腐蚀物的扩散，但由于镍层仅有几微米厚，腐蚀物很容易穿透镍层在金或钯镀层表面更快地扩散，在图3.11所示特定的测试条件下，可以想象镍底层的阻碍效果大约只有测试暴露环境的一半，这是简单的但基本正确的对实验数据的解释。

　　图3.12显示了在与图3.11采用的数据类似的测试暴露环境里腐蚀物在镀有金∕镍∕磷青铜镀层金属的冲制圆盘上的扩散。外边缘的膜非常厚，且其扩散距离减少。表面上的亮点为探测点，其上接触阻抗的测量以金作为探针，在边缘位置，其阻抗值大于2奥姆，试验预设的极限值成立。如图3.13显示的只有在接近底层中心时，才会出现毫欧级的阻抗值。

　　镍作为阻碍腐蚀物扩散对接触界面的正面（barrier normal to）效果明显受限于底层的厚度。但是，其侧  面的阻碍（lateral barrier）是非常有效的。图3．14提供了一个实例，所示端子完全镀镍且在其接触面上局部（selective）镀金。接触下部（the lower contact）也得到附加的薄金（gold flash）镀层（通常为0.1微米）。将端子置于同样的工业环境中。薄金镀层表面更有利于腐蚀物的扩散。当考虑到收容端子于基座（housing）的保留飞边结构（the retention lance ）的腐蚀区域是冲压产生的形状，这就是显而易见的（this is obvious when considering the corrosion around the area where the retention lance that holds the contact in the housing is stamped）。冲压成形区域的镀层金属覆盖范围（plating coverage in the stamped area）不完全是因为冲压过程中剪断处（shear-break）的粗糙度和这些凹陷处（recesses）不能被有效电镀。这些区域镀层金属的欠缺导致基材金属（铜合金）裸露，从而成为腐蚀源。腐蚀物在薄金接触面很快地移动而它们在全部镍镀层表面的移动是受限制的。该图表明当镍在腐蚀物移动方向上有足够的延伸时，它能够有效地防止腐蚀物扩散。

　　扩散．镍底层阻碍扩散的有效性可通过图3.15中的数据加以说明，该图显示了铜通过金，钯，银和镍镀层的相对扩散。同金或钯相比，通过一定量或更多的减少可以看出镍是一种有效的防铜扩散金属。相似的情况发生其它典型基材金属成份如锌和钡上。通过这种方式，镍有效的防止基材金属成份扩散到接触表面，在该表面基材金属成份可与其运用环境中的各种腐蚀起反应。

　　耐久性．镍也能改善贵金属接触镀层的耐久性。对金镀层的影响将被表明，但相似的影响也发生在别的贵金属镀层上。根据Antler改编的图3.16，表明了直接镀有2.0um厚钴—金合金接触镀层的铜和铍铜底层的耐久性典线。应该注意到检测样品包括平面取样片（flat coupons）和半球形附件（rider）。这些数据仅与几何形状有关而并不代表电连接器接触界面的典型数值。但这些数据的趋势与连接器的耐久性有关。

　　耐久性可用一磨损（wear）指标，即一种作为通过次数函数的基材金属暴露总数的度量（耐久周期(durability cycles)）来评估。耐久性指标为50意味着出现的(showed)磨痕(track)有50%裸露了基材金属。注意到铜基材的金镀层耐久性明显低于铍铜基材的金镀层。这种结果是由于铍铜比铜更硬。更硬的底层金属能够提供支持层来增加镀层的有效硬度，并由此而降低了在既定压力下的接触面积。因为磨损与接触点的破裂有关，正如第二章所讨论过的，接触面积的减少会导致磨损降低。

镀镍底层可提供一个比铍铜更硬的支持层，所以可以预测其耐久性有进一步提高。图3.17证实了这种预测，显示了磨损指针对镀有钴金合金的铜的配合周期次数随不同厚度的镀镍底层的变化。随镍底层厚度的增加，耐久性立即提高。

．总结．

　　 在这里，镍作为底层的优点概述如下：

　　‧镍通过其非活性氧化物表面，封闭基本孔隙位置，从而减少孔隙腐蚀的可能性。

　　‧镍在贵金属接触镀层下面提供了一层坚硬的支持层可提高耐久性。

　　‧镍可有效地阻碍基材金属成份迁移到接触表面，当基材金属迁移到接触表面时，会与操作环境发生反应。

　　‧镍也可有效地阻止基材金属腐蚀物的移动。

　　前三个优点是在金镀层变薄的同时保持相等的或是改良的性能。多孔性的影响已经减轻，贵金属不再用作阻碍腐蚀物移动，并且耐久性有了提高。　　最后一个优点是减少形成于其它地方、移动到接触界面并导致接触阻抗增加的腐蚀物的可能性。

　　这种特性(nature)的考虑突出了连接器镀层被作为系统来考虑的事实。镀层不同成分间的相互作用能强烈影响镀层性能。本讨论为下一节存在数据的解释提供了一个背景。

　　贵金属接触镀层系统的环境性能　本节将描述在模拟工业暴露环境的FMG测试环境里贵金属接触镀层系统的腐蚀现象。被评估的镀层系统包括：

　　‧0.75金(钴)/1.25镍/铜

　　‧1.8钯/1.25镍/磷青铜(PB)

　　‧1.8钯(80)-镍(20)/1.25镍/PB

‧ 0.1金/1.8钯/1.25镍/PB

　　上述厚度单位都是um。底层金属的不同只能影响最初的接触阻抗的大小而不可能影响在暴露环境下接触阻抗的变化。

　　图3.18显示了在可接受条件(as-received)下如预先暴露于FMG环境，前三个系统(first three systems)接触阻抗对接触压力的数据曲线。使用软金探测参考，该图表明了九个探测点的数据分布。探测模式可以是随机性的或是有选择性的。在随机探测中，系统扫描表面，自动在九个随机点上探测。在选择性探测中，探测员(probe operator)降低探针，以便避开孔隙腐蚀位置并尽可能减少任何孔隙腐蚀或者腐蚀移动对接触阻抗的影响。在选择性探测模式中，可以评价镀层本身原有的腐蚀反应性。图3.18中的数据是随机探测获得的。注意到在100克力的接触正压力下，三个系统所产生的接触阻抗都在1mΩ的范围里。

　　图3.19表明了在同一模式下，暴露于FMG环境里48小时后得到的数据。孔隙腐蚀和腐蚀移动的影响明显表现在金与钯的数据上。得到的数据与在可接受条件(as—received)下得到的数据相比，有些数据没有显出变化，但是许多探测点已经明显受到腐蚀物的影响。在不插拔(non-wiping) 载荷的探测系统里，需要高压力来破裂腐蚀物。然而，钯－镍合金的数据则不同，取代两种模式下的阻抗数据，其同时有一个向上的移动和阻抗分布范围的变宽。这是表面膜的典型现象。

这种解释被暴露100小时后得到的数据所证实，如图3.20所示。金镀层数据仍显示了两种退化(degradation)模式。在这种情况下，钯的数据则显示了一种高水平的孔隙腐蚀。钯－镍数据继续有一向上的移动和数据分布范围的变宽。

　　图3.21绘制了作为接触压力函数的钯-镍合金九个调查点接触平均阻抗的曲线。图表清楚的表明平均接触阻抗随暴露点的升高。钯(80%)-镍(20%)合金性能不象是贵金属，却象是基材金属，这也就不奇怪在合金中加入20%的作为基材金属镍金属。图3.4显示合金暴露在空气中有相似效果。

　　图3.22包含的数据是测量了金和钯接触镀层经过相同的FMG环境后得到的。注意到到金的数据几乎不随时间变化。而另一方面，钯的数据显示了增大的变化和扩大的分布，尽管其比钯-镍合金的变化范围要小很多。钯则显示了对测试环境的反应。

　　这些数据表明了为什么在大多数情况下钯和钯-镍合金镀层要与一个薄的金镀层-约几十个微米的金，配合使用。从图3.23中可清楚看到，钯外面的金薄层对FMG环境下腐蚀的作用是很有效的。接触阻抗的大小和分布表明暴露在MFG测试条件下48或100小时几乎没有变化。当金覆盖在钯-镍合金上时也会出现类似的情况。

　　但是，应该注意到金薄层厚度可能不会完全覆盖钯的表面，所以薄膜效应就可能产生。这种可能性对镀有薄金层的钯-镍合金更有意义，因为其更有活性。此外金的缺失例如经过磨损腐蚀，将会导致其下层的钯的暴露。换句话说，覆盖有金薄层的钯和钯-镍合金容易受到机械磨损腐蚀退化的影响。对钯而言，摩擦聚合物的形成是其退化的主要机理。对钯-镍合金而言，经过氧化过程的腐蚀将会出现。

　　总而言之，环境测试结果表明，这三种镀层对环境固有稳定性按其减少的顺序为：金，钯和钯(80%)-镍(20%)合金。基本钯镀层外的金薄层可有效的减少这种变动。此外在连接器应用中这种固有稳定性的差别会通过三种作用得到控制。

　　第一，遮蔽此类环境下接触界面的连接器塑料本体的作用，有效的增加了相互配合的连接器对环境的稳定性。环境遮蔽的效果取决于塑料本体的设计。封闭式塑料本体将明显比开放式更有效，尽管卡缘塑料本体可提供如第一章所述的保护。

　　第二，如数据所示，与在连接器镀层中一样，电镀过程中的多孔性对其受腐蚀可能性有很大影响。钯和钯-镍合金镀层的电镀经验表明钯和钯-镍镀层的多孔性通常会比金镀层的低。这种作用减少了其固有稳定性的变化差异。

　　第三，受到腐蚀的可能性取决于其应用的环境。在典型的办公室环境下，仅有较少的硫和氯，实验表明腐蚀蔓延极小且孔隙腐蚀也同样减少。

这些考虑的因素减少了固有受腐蚀性差别的意义。在更多的腐蚀环境下，尤其是含有高浓度的硫和氯的时候，选择接触镀层时就应当考虑金所天然具有的贵金属性优点。

　　贵金属镀层系统中的耐久性考虑‧选择接触镀层另一个要考虑的因素是镀层的耐久性。在此情况下，经验表明其性能的顺序与在环境中相反，至少存在金薄层时是这样的。镀金的钯-镍合金比镀金的钯的耐久性高，而接下来镀金的钯比金要高。这种趋势被认为与镀层硬度有关。硬金的Knoop硬度为200，而钯和钯-镍合金的Knoop硬度为400或500。

　　以上关于金镀层的合格性解释非常重要，经验也表明由于钯和钯-镍合金镀层比金硬度更高而延展性更低，所以容易产生灾难性的易碎的破片结构。

3.3.2普通金属接触镀层的设计考虑因素

　　锡(包括锡铅合金)，银及镍被是用在连接器上的重要普通镀层材料。三者中，锡代表了大量应用的普通金属镀层，因此本节主集中对锡镀层进行讨论。

　　普通金属镀层与贵金属镀层的区别在于：普通金属接触镀层的设计考虑包括配合时普通金属接触镀层表面固有氧化膜的破裂/移动以及防止氧化膜的再生成。本节先讨论锡接触镀层表面膜的破裂，接下来讨论锡镀层的退化机理，磨损腐蚀。

　　锡镀层接触界面的形成，回顾前面所述，锡用作接触镀层源自于：其固有的氧化膜在连接器的配合中通过接触表面的机械变形能够破裂和移动。因此原有的锡氧化物在连接器插接过程中将因机械毁损而被挤破和取代。重新利用图2.16作为图3.24来引证表面氧化物破裂的机理。又薄又硬又脆的锡氧化物在负载下容易破裂。载荷传到锡镀层，由于其硬度小、延展性好而易于流动。氧化物裂缝变宽，里层的锡从裂缝中挤出来形成所需要的金属接触界面。然而不幸的是，锡表面的再氧化导致了锡镀层的主要退化机理：磨损腐蚀。

　　磨损腐蚀‧图3.25说明了磨损腐蚀机理。图3.25a描述了包括裂缝、破碎的氧化物和从裂缝间挤出的锡接触区  域的原始接触界面。图3.25b显示了接触区域移到新的位置例如在机械干扰作用下。新的接触界面是通过相同的破碎机理形成的。然而，先前接触区域暴露的锡被再氧化。如果这些动作重复进行，也就是说，如果镀层系统慢慢被磨损(图3.25c)，暴露的锡(摩擦腐蚀的腐蚀部分)连续不断的再氧化导致在接触界面形成一层氧化碎片（debris）(图3.25d)。这些碎片将导致接触阻抗的增加甚至露出电路。引起接触阻抗不可接受的增加必要的磨损循环次数取决于许多因素，包括运动方式和磨损距离（length）。对转化运动而言（translational movement），磨损运动只要移动几个到几十个微米单位的距离就足够产生磨损腐蚀。腐蚀磨损率依赖于磨损距离。磨损退化率依赖于磨损运动距离（length），因为氧化碎片必须经过磨损距离上的累积。大位移运动有效地将锡氧化物推到运动轫迹的尽头。同样原因，摆动（rocking）或转动能加快磨损，因为碎片相对比较集中。

　　对锡而言，产生不可接受的接触阻抗之前的磨损循环次数已经可以从几百到几万。镍在磨损次数和接触阻抗增加方面与锡很相似。Bare和Graham报告了没有镀金的钯和钯镍合金镀层经过几万次循环之后的磨损情况。他们还报告了镀金的钯和钯镍合金镀层经过几十万次循环之后的稳定性能。

如果存在不同的热膨胀，这是连接器经常发生的情况，磨损运动可通过机械干扰或热循环产生。考虑一下装置于印制电路板(PWB)的连接器。印制电路板，接触弹片与连接器绝缘本体有不同的热膨胀系数。由于热膨胀不同（mismatch）产生的接触界面压力取决于其不同的大小，温度变化，及连接器的长度（length）。热膨胀不同是连接器磨损运动最主要的来源。

图3.26显示了磨损腐蚀(因转动而引起)发生后的锡接触表面。图标黑点表示锡表面典型磨损腐蚀区域。图3.27显示了磨损点的交错区。图中可以清楚看到压损的锡和锡氧化物碎片。

　　图3.28显示了磨损腐蚀与增加接触阻抗之间的联系。图3.28的曲线通过缩微照片所显示的腐蚀点的接触阻抗的变化。一张氧气穿过腐蚀点的放大电子显微线迭加到缩微照片上，氧，表现为氧化物与接触电阻的关系非常清楚。

　　假如磨损腐蚀是锡接触镀层主要的退化机理，那么如何才能有效地防止或减缓这种退化呢？下面将讨论这个问题。

　　磨损腐蚀的防止‧预防磨损腐蚀主要有两种方法。第一种，也是最常用的方法是利用高正压力。这些正压力提供接触界面较大的摩擦力以防止磨损运动。然而，增加正压力有一个极限。当正压力增加时，连接器插拔力和耐久性都将受到相反的影响。锡因为比较软，有一极限耐久性且由于高摩擦系数—通常为0.7而表现出高插拔力，相对而言金的摩擦系数仅为0.3。

　　第二种，利用预防磨损腐蚀接触润滑。图3.29说明了使用预防磨损接触润滑的功效。显示的数据来自一个因热膨胀不同而导致的磨损运动的试验容器。热循环温度介于55到60度之间。升温是用来加速氧化和润滑的退化。在这些条件下，产生的运动位移大约为80微米，这是好的磨损距离。

　　“干锡”—干凈的锡表面—的测试数据显示测试系统对产生磨损腐蚀有影响。它同时也表明磨损腐蚀可能是非常快的退化机理。在循环磨损数千次后，接触阻抗按二次方的增长速度增加。此外矿物石油润滑剂的测试数据也被列举出来。 矿物石油润滑剂最初很有效，但是最终仍产生磨损腐蚀。该缺点与环境中的保护无关而与矿物石油本身有关。矿物石油的结构在温度升高时从接触界面流走并且挥发/退化。密封作用消失，摩擦磨损开始。涂有防磨损润滑的接触的数据显示在摩擦循环数千次后表现了很好的抗磨损性能。经过数百次的循环摩擦之后接触阻抗的下降是因为接触界面被磨光而增加了接触面积。

　　应该注意到除了摩擦腐蚀外，因为锡表面固有的氧化物的保护特性，锡接触镀层还提供了良好的环境稳定性。锡镀层在引起贵金属镀层腐蚀的FMG环境中表现出很好的性能。当磨损腐蚀可以防止(通过高的正压力来防止磨损，或者通过有效的接触润滑来防止氧化腐蚀)时，锡镀层在变化的工作环境和很宽的电流和电压范围内能提供稳定的接触阻抗。

　　锡铅合金，连接器中主要利用下面两种锡铅合金：含锡铅（93/7）合金和锡铅（60/40）合金（或者63/37，共熔焊剂成份）。 锡铅（93/7）合金可用作可分离性连接和永久性连接，但锡铅（60/40）合金用作可软焊（solderable）连接。考虑成本和性能两方面的因素而使用低铅合金。在锡中加入铅可防止锡须(tin  whiskers)的形成， 锡须是电镀过程中固有压力作用下形成的细小而单一的水晶状生成物。锡须直接或通过切断和短路其它部件而导致连接器的短路(shorting)问题。用于可分离接触界面的锡镀层厚度介于2.5到4微米之间，取决于其应用的方式。

　　60/40合金或63/37合金的应用厚度介于1到6微米之间，取决于焊接过程。因为这些合金的硬度低，易蔓延性且增加了复杂的铅腐蚀物，所以它们一般不用于可分离接触界面。

3.3.3 接触镀层的其它设计考虑 

　　接触镀层其它设计考虑有两种，两种考虑在一定程度上已经讨论过，尤其是对优点的详细讨论。即底层与接触润滑的应用。

　　底层‧两种主要使用的电连接器底层材料是铜和镍。如所讨论过的，镍的主要作用是作为贵金属接触镀层的底层以保持表面镀层的贵金属特性。铜，作为贵金属镀层的底层不能提供相同的功能。如所讨论的，铜是一种腐蚀源，铜蔓延能导致接触表面的退化。铜在提高接触镀层耐久性方面也不如镍有效。尽管存在这些限制，在不可接受镍底层磁性的应用中铜仍然用作底层。

　　镍底层的第二个重要作用与永久性连接有关，保证可焊性－－特别是为可软焊产品提供一种活性（a shelf life）。保持可焊性将详细讨论。

　　成功的焊接需要锡焊剂（tin of the solder）与基材金属衬底（base metal substrate）成份间产生金属间化合物。因为铜和镍与锡形成金属间化合物适合于焊接，因而作为底层以保持可焊性。保持可焊性的全部镀层系统包括底层和锡，金或钯表面涂层（coating）。不同系统分别有不同的保持可焊性机理。

　　涂锡或焊剂的表面是可熔的（fusible）。锡涂层在焊接过程中熔化并渗入到衬底表面产生的金属间化合物中。比较而言，金涂层表面是可溶解的（soluble），这意味着金完全溶解在焊剂里，金属间化合物在裸露的底层形成。金涂层实质是保护了底层的可焊性。钯在熔剂里溶解则慢得多，焊剂的结合通常是与钯形成。

　　焊剂（solder coatings）在保持其可焊性方面更加有效，就象其花费更少一样。因为它们是焊剂而没有引入新的退化机理。而另一方面，金则引入了新的退化机理，两种情况都是因为锡-金金属间化合物的形成。金-锡化合物易碎而降低了焊接的机械强度。熔化的金-锡化合物在焊液里的累积将最终降低焊接过程的有效性。因为这些原因，焊剂涂层是确保可焊性的更好方式。

焊接过程产生金属间化合物是必要的，但金属间化合物本身不是必须可焊的，且过量的金属间化合物会产生可焊性问题。室温下金属间化合物的增多可能导致可焊性降低并有可能提高接触电阻。铜-锡间化合物比锡-镍间化合物增加得更快。

　　许多铜合金是可焊的，且底层可以增强可焊性，尤其是镀在黄铜基材金属表面。黄铜表面需要底层以防止锌的蔓延，但这也可能降低了可焊性。

接触润滑‧接触润滑常完成两种不同的功能：

　　．减小摩擦系数

　　．提供环境保护

　　减小摩擦系数有两个益处。第一，它减小了连接器的配合力（mating forces）。第二，它通过减少磨损而提高了连接器的耐久性。

　　接触润滑通过形成“密封”阻止或减缓外界环境进入接触表面而能够提供环境保护。对锡接触镀层而言，接触镀层的首要功能是在防止磨损腐蚀方面提供环境保护。预防磨损润滑可以减小摩擦系数，但并非其主要目的。事实上，如果润滑不能有效防止氧化，摩擦系数的减小可能增强磨损腐蚀。摩擦系数的减小因为减小了机械稳定性而使接触界面更容易受到磨损。在没有润滑存在的接触移动中不会产生的干扰可能产生润滑性接触的移动。

　　对贵金属镀层而言，接触润滑是为了减小摩擦系数和提高连接器的耐久力，但是，伴随提供环境保护重要性的提高，提供环境保护成为有益的附加功能。

　　几个与接触润滑相关的考虑值得注意。对有效润滑而言，其在接触界面数量必须足够。测量和监测（monitoring）润滑的存在是很困难的工作。

　　连接器可能伴随有适当的润滑出售，但是组件过程（特别是，焊接或柱焊的清洗（post soldering））可能移走润滑剂。因而，需要第二次补充润滑剂。

　　润滑剂可能收留粉尘，如果在粉尘或污染环境中应用，可能会出现接触阻抗和耐久性问题。最后，润滑的适用温度可能限制它的应用。

润滑潜在的益处—减小配合力，提高耐久性，和在环境中的保护—是非常需要的，但是在评价接触润滑对给定应用的连接器的总的效果应考虑所提到的限制。

3.4接触镀层选择

　　选择适当的接触镀层决定于其应用所考虑因素的数量。包括：

　　．配合需要

　　．应用环境

　　．线路需要

　　贵金属镀层与普通金属接触镀层的区别在于其所考虑的每一性能。为了简单，以金作为贵金属的代表，而普通金属的代表则为锡。

　　为了为接下来的讨论提供一个背景，一些通常的注解是有用的。因为贵金属镀层比锡镀层更低的正压力要求，更高的天然耐久性，及更低的摩擦系数，在配合需要方面它们的应用更加广泛。因锡的硬度低，锡接触镀层需要高正压力来尽量减少潜在的磨损腐蚀且其耐久性较差和摩擦系数较高。最终的效果是锡镀层的耐久性较差而配合力较高。

　　所有的接触镀层在毫伏到伏和毫安到安的一定范围内都能提供可靠的性能。金与锡的区别在于阻抗的稳定性。磨损腐蚀也是主要的区别。产生于磨损腐蚀过程的阻抗变化能够导致在信号线路中产生噪音和在高电流应用中热散发的可能性。金接触镀层在很宽的适用条件范围内有助于保持接触阻抗的稳定。

　　应用环境必须考虑机械、热及化学环境。机械因素，如振动，影响连接器所需的机械稳定性。接触界面的移动将导致锡镀层的磨损腐蚀和使金镀层易存在外来的腐蚀物或污染物。热环境通过不同的热澎胀引起接触界面的移动而达到相同的结果.然而，高应用温度—大约105度—可能会因挤压松驰而使正压力降低。这种正压力的降低，锡比金表现得更隐蔽。由于本章其它部分讨论的外来腐蚀的各种各样的来源，环境腐蚀对金镀层有很大的影响尽管金具有很强的固有的抗腐蚀能力。锡除了磨损腐蚀外，由于原有的表面氧化物而表现出很好的抗腐蚀能力。

　　下面的讨论将更详细地考虑上述各个考虑因素同时指出金、钯、钯镍合金及锡镀层之间的一些区别。

3.4.1配合要求

　　两种配合要求必须考虑：连接器必须承受的循环配合次数和连接器配合要求的压力（配合力）。如第一章所提到的，连接器要求的循环配合次数取决于相互连接的层级。第2到4级连接典型的要求仅仅是几十次的配合循环。第5和第6级连接，因为它们提供输入/输出功能，可能需要更高的循环配合次数。另一方面，配合压力显示出相反的趋势。第2和第3级通常要求考虑最大的配合压力，因为这些层级的连接pin数倾向于比第4到第6级连接的pin数高得多。插座和两件式板对板连接器其pin数各自可能从400到超过1000。而几十到一百的pin数在第4到第6级连接中更为典型。

　　接触镀层及耐久性‧ 影响接触镀层耐久性的主要因素是镀层的硬度及其摩擦系数。贵金属镀层具有比锡镀层更高的硬度和更小的摩擦系数，因此贵金属镀层固有的耐久性也比锡镀层高。

　　耐久性不仅依赖于接触镀层，还与下列因素有关：

　　．接触正压力

　　．接触几何形状

　　．接触长度

　　．润滑

　　．镀层厚度

　　除了镀层厚度以外，其它因素在第二章均已经讨论过并将在第六章继续讨论。本节重点是讨论接触正压力，因为接触镀层的选择决定了连接器所需要的接触正压力。其它因素对贵金属及普通金属镀层来讲具有相似的影响。另外，镀层厚度对耐久性的影响也应该注意。

　　如前所述，锡镀层比金镀层需要更高的正压力来尽量减小磨损腐蚀的可能性。为了提供机械稳定性，镀锡连接器的正压力通常在200克力以上，比较而言，金镀层连接器只需50克力左右的正压力即可保证其接触稳定性。当耐久性的需求很重要时，耐久性随着正压力的增加反而降低的事实使金镀层相对于锡镀层的优势更加明显。

　　贵金属镀层耐久能力的差别并不是很明显，在3.3.1节，应该注意到贵金属镀层的相关特性，按递减顺序，为镀金的钯镍合金层，镀金的钯及金镀层。按这样的顺序，可以想到贵金属镀层是镀在镍底层上。

　　另外，镀层的耐久性取决于镍底层的厚度及其硬度，这些相互作用使得很难超过一般顺序得到连接器耐久性的确切值。

 　　理所当然地可以说接触镀层的耐久性取决于镀层厚度，但这种耐久性与镀层厚度的关系也取决于前面提到的镍底层的材料性能，所以耐久性—厚度关系不可能是一直线。

　　有效的接触润滑能通过两种方式减少贵金属镀层的相对差别。润滑结果也能减少耐久性的差别。另外，能提供环境保护的润滑剂能减少固有腐蚀敏感度方面的差别。

　　影响耐久性的几何参数上面已经列出。连接器的设计在这些方面变化很大。接触几何形状和接触长度的主要影响是各自的磨损区域和磨损轨迹长度。所有这些对比的最终结果是连接器的耐久性根据试验的方法已被最可靠地评估出来。

　　接触镀层和配合力‧配合力取决于以下几个因素：  

　　．接触正压力

　　．接触几何参数

　　．摩擦力

　　．润滑

　　接触镀层是通过影响接触所需正压力的大小亦即通过影响由摩擦系数决定的摩擦力的大小来影响配合力的大小的。先前已经指出，由于金镀层比锡镀层具有更低的正压力要求和更低的摩擦系数，因此金镀层比锡镀层具有更低的配合力。通过使用接触润滑可使摩擦系数的不同在一定程度上能得以改善。贵金属镀层的间区别很少用配合力而是用耐久性来表示。

注意到接触配合力和更重要的参数─连接器配合力的不同是十分重要的。当然，连接器配合力不仅依赖于每个接触接触时的配合力，也包括连接器绝缘本体以及连接器各部分的紧固力的影响（alignment of the connector halves）。连接器的配合将在第六章更为详细的讨论。

．总结．

当应用需求包括高耐久力和高pin连接，那么贵金属镀层是首选的。有薄金层的钯（20％）镍（80％）合金镀层能提供最高的耐久力，接下来是有薄金层的钯镀层和金。锡镀层，因为其固有的低硬度和需要较高正压力来减少摩擦腐蚀的可能性，故锡镀层与贵金属镀层相比表现出有限的耐久性和较高的配合力。高配合力要求限制了具有锡镀层的连接器的接触pin数。

3.4.2 应用环境

　　在应用环境这个标题上要考虑以下几个因素。包括有机械环境，除了配合条件，还包括振动和磨损；热环境方面包括温度和温度波动；化学方面包括湿度以及一些潜在的腐蚀如氯化和硫化腐蚀。应用环境的每个方面都会对接触镀层的选择产生影响。

　　机械方面‧虽然机械配合是作用在连接器上的最常见的机械压力，但在连接器的整个有效期内还会受到许多潜在的干扰。机械冲击和振动是必须要考虑的其它因素。连接器暴露在许多潜在的冲击和振动源中。然而，无论什么样的原因，所关心的效果是因为干扰而产生的对接触界面的压力是否足于导致连接器两部分的相对移动。如果产生这样的运动，它们能常被限于一定的范围而归属于磨损的一种。磨损有两种令人担忧的结果：磨损损耗和磨损退化（fretting wear and fretting degradation）。磨损损耗是指在第二章中所描述的磨损过程，产生的结果是接触镀层受损。磨损退化包括摩擦腐蚀（fretting corrosion），相关的锡、镍、钯镍合金以及摩擦聚合物，相关的钯。

　　注意到潜在的磨损损耗是很重要的，因为它能引起镀层的穿透性磨损。连接器期望达到的预测配合循环次數不僅僅是連接器磨損方面的唯一因素，這種考慮使得薄鍍層重要性增加，例如鈀、鈀合金和鎳鍍層外面的薄金層。因磨損所引起的薄金層的損失會導致底層的鈀和鎳裸露出來。換句話說，鍍金的鈀和鈀鎳合金對磨損退化機理是很敏感的。而對鈀來說，摩擦聚合物的形成則是其主要的退化機構。鈀鎳合金或鎳的磨損腐蝕是通過氧化作用發生的。鍍有薄金層的鈀和鈀鎳合金鍍層已被許多調查者評價。大多數而不是全部的研究，已經報告過它的穩定性能。鎳鍍層表面金薄層的使用是近期的事，所以這段時間幾乎沒有什麼証明經驗。但是，可以肯定的是這些鍍層金屬對摩擦腐蝕非常的敏感。還應該注意到，暴露底層金屬的其它機理的存在。例如：不完全的鍍層，鍍層的損壞如刮擦。

　　總而言之，與機械環境相關的主要論題與磨損損耗及磨損退化有關。錫鍍層對磨損退化是最敏感的。然而，金鍍層的選擇應該考慮到這些機械性的影響。

　　熱環境．熱環境存在兩個主要因素：應用溫度和熱波動。絕對溫度能導致大量潛在的退化機理。熱波動的主要影響是因為熱膨脹的不同而經過的潛在性磨損。

　　重要的可能性敏感溫度的退化機理包括腐蝕，擴散和金屬間化合秀的形成。腐蝕率一般隨著溫度的升高而加快，盡管溫度對水份的吸附效果能減緩這種作用。擴散速度也隨溫度的升高而加快，結果能產生表面膜。如圖3.4所示。

　　金屬間化合物（IMC）的形成對錫鍍層是很重要的。金屬間化合秀的形成速度隨溫度升高而加快。如果金屬間化合物的形成消耗了錫而在接觸面上的該點形成大量的金屬間化合物，那麼接觸電阻可能受到影響。一般來說，保留在表面上的錫，能提供有效的接觸。圖3.30中的數據對此作了描述。圖3.30顯示了一個3微米厚的鍍錫銅（tin-over-copper）以軟金探針所測得的接觸阻抗隨壓力的曲線。數據在可接受的條件下顯示，一是增時處理使錫轉化為錫化合物，二是增時處理和腐蝕後。IMC阻抗的增加超過了可接受條件下的值但但它對許多應用是合適的。雖然增時處理的時間足於完成從錫到金屬間化合物的全部轉化，但通常仍能發現殘留在表面上的錫。如果表面被腐蝕物取代，金屬間化合物本身的接觸導致接觸阻抗的額外增加。

　　總之，熱環境能導致腐蝕退化，它也能影響貴金屬的腐蝕速度和潛在地影響錫鍍層的金屬間化合物的生成。

　　化學性‧ 化學環境包括濕度及一系列可能的腐蝕种類，如氯，硫和氧。氯和硫對于貴金屬鍍層特別重要，而氧則對錫鍍層很重要。如先前所提及的，錫氧化物對錫提供了來自於在其它腐蝕源(source)的腐蝕保護。

　　濕度對腐蝕率和腐蝕物水合度的影響是令人擔憂的。經驗也表明，濕度變化能影響腐蝕机理和腐蝕率。

　　貴金屬的腐蝕机理在3.3.1節中已經作了討論。為了更加完整(for completeness)，對貴金屬鍍層而言，應該注意到主要的腐蝕机理隨環境成分特別是氯和硫的含量(content)的變化而發生變化。隨環境惡劣程度(in severity)的增加，主要的退化机理由多孔腐蝕變化到腐蝕擴散(creep)。正如前面所說的那樣，移動類型以銅－硫腐蝕物出現。

　　對于錫鍍層，由于氧在磨損腐蝕中的作用，氧是主要的反應(reactive)類型。由于錫氧化物固有的保護特性，所以錫在FMG環境中性能良好。

總結‧總之，應用環境的考慮表明了接触鍍層選擇上的不同權衡，取決於化學方面，熱，或是与腐蝕相關方面，何者占支配地位。在惡劣的机械環境里，因為磨損腐蝕而限制了錫的使用。但是，磨損損耗的可能性，磨損退化的產生，在惡劣的條件下不應該低估。高溫環境要求對錫金屬間化合物的產生和對影響貴金屬鍍層的蔓延/氧化的考慮。腐蝕考慮對貴金屬和錫來說是不同的。而且，磨損腐蝕主要涉及到錫。隨惡劣條件的增加，貴金屬的腐蝕机理會隨環境從孔隙腐蝕轉變為擴散(creep)腐蝕。

3.4.3電路需求

　　從一個基本的觀點出發，如果能創建並保持一個金屬接触界面，那么在一個大電壓和電流范圍里的接触鍍層間的功能(finishs with respect to their functionality)沒什么不同。在這樣的條件下，因硬度和阻抗系數的差別產生的阻抗的變化是相對較小的。鍍層間的不同在于阻抗的穩定性，即接觸界面對于應用條件下退化的敏感性(sensitivity)。自然地，對比羅簡單的描述有几個限制因素。

　　電壓‧在電連接器上，除了電能的應用，電壓相對很低──只有几伏特。金屬間的接触界面將以歐姆來衡量，即電壓与電流間的關系是線性的，其斜率由系統阻抗決定。只有當接触界面不完全是金屬接觸面時(cease to be completely metallic)，也就是說，當它們開始退化時，電壓的影響才顯現出來。在這種條件下，電壓可能允許薄膜的電性中斷(breakdown)並由此而建立或重建一個較低的接触阻抗，這一現象有時稱作自我复原（self-healing）。不幸的是，這種阻抗容易變化并且不可恢复，這也是為什么薄膜的机械破坏和薄膜形成的避免對電性中斷是首要的。Wagar和Holm提供了電性薄膜中斷特性的討論，主要概括在2.3.2小節中。

　　本討論目的關鍵點是導致中斷的必要電壓和的和因此產生的高變化性阻抗。電壓的變化源自於薄膜結构本身的易變化性。厚度，組成和結构都依賴于薄膜形成的環境。阻抗的變化性產生於因為中斷引起的導電區域取決於中斷時間里電流的流過的事實。

　　Bock和Whitley提供了有關磨損退化的電流及電壓決定條件的証据(evidence of this cu-rrent/voltage dependence with respect to fretting degradation)。

　　電流‧正如第一章所述，針對電流有兩種基本電性應用：信號和電能。對于信號應用，典型的電流通常低于1A。而電能應用則可能需要几十甚至上百安培的電流。

　　對于信號應用，在可能引入系統的雜訊或者數字式應用上可能的數据丟失方面，接触鍍層退化的影響及在隨之而來的接触阻抗的變化是非常重要的。Abbott和Schrieber研究了這一影響，而且Abbott是針對磨損腐蝕來考慮。根据這些著作，發生數据丟失的可能原因是，隨接触阻抗的退化所產生的瞬間開路趨勢的增加。在可引起貴金屬鍍層磨損腐蝕的條件下，也可以得到類似的結果。

　　在典型能量應用更高電流下，由于高電流下而產生的焦耳熱和紅外線，會導致額外的考慮。兩個單獨的(separate)問題值得討論：(a)什么因素決定鍍層所能承受的最大電流。(b)高電流時，接触阻抗的退化有什么影響。

　　接触鍍層所能承受的最大電流由接触界面的溫度所決定。接触界面溫度反過來又取決於產生的焦耳熱與從接触界面到接触彈片散熱的平衡。熱量的產生取決于鍍層阻抗系數和阻抗系數隨溫度的變化率。而散熱取決於熱傳導率和熱傳導率隨溫度的改變率。這些反應可能相當复雜，就象Williamson所討論的那樣。

　　為了本討論的目的，注意到每一個鍍層在其熔化時都有一特征電壓，特征電壓的大小，及依據前面提到的相互作用所能達到的比率就足夠了。對于金，銀和錫鍍層，各自的熔化電壓分別是430，370和130毫伏。

　　在實際上，通過接触界面的電壓下降由電流產品(product of the current)和接触界面阻抗所決定。At a first cut，熔化電壓能被用來指示鍍層的電流容量，其公式如下：

　　　　　　　　　Vm=I*Rc        　　　　             (3.2)

其中　　Vm==熔化電壓

 　　 　　I==電阻為Rc且即將發生熔化時的電流

　　     Rc==接触界面阻抗

　　在第二章已經討論過，Rc取決于鍍層和接触壓力。對于一個确定的接触阻抗，通過熔化電流的減法，最大電流能夠被确定。恒定的電流容量一般由溫升條件所決定，而溫升條件又取決于接触阻抗的大小，這一點將在第十二章中討論。

　　按這個標准，錫具有低電流容量，然而金和銀卻是相當的。鈀和鎳則具有更高的熔化電壓，但是它們所擁有的高阻抗和低效熱傳導性能制約了這一优點。

　　對于高電流應用，銀由于自身的低電阻抗和高效熱傳導性能而占有优勢。在電能接触中，銀的弱點，污點和移動趨勢并不重要。電能接触的典型的高壓力(high forces typical of power contacts)使污點的影響降至最低。巨大的尺寸，分离和通常典型的電能應用接触間的絕緣減少了移動反應。

　　接触阻抗退化在高電流性能上的影響是明顯与前述討論有關。這樣的退化更進一步促進了接近熔化電壓。以這樣一個觀點，鍍層對退化相對的反應有更大的影響在電能應用的鍍層選擇上。再次，錫由于自身的低的熔化電壓和對磨損腐蝕的反應poses最大的危險。

　　電路參數綜述．在理論上，金屬間界面對電流和電壓沒有反應，但接触界面的退化連同接触界面阻抗的變化引入了一系列的考慮。

3.5　接触鍍層概述

　　合适的接触鍍層的選擇包含了使用和功能需求的考慮。例如，由于對錫的高的接触壓力需求和在裝配壓力及磨損的共同影響，高接觸數量，高适配循環需求決定了貴金屬鍍層(參見表3.1和表3.2)。環境考慮是复雜的，包括在貴金屬鍍層上的多孔性和在錫鍍層上磨損退化的可能性之間的權衡。考慮一個确定的應用，合适的鍍層是在性能与可靠性間的“最好”的折衷。

表3.1　接触鍍層的接触壓力需求

  鍍層　   最小接触壓力(g)　　　　　　　　評价

  金　　　　　　25　　　　最小值由机械穩定性和污染物的轉移所決　　　　　　　　　　　　　　　　　　

                      　　　 定。尤其是零接触壓力(zero-force)條件必須

                      　　　 极力避免。

　鈀　　　　　　50　　　  由于接触反應的作用表面薄膜的可能性。

　  　　　　　　　　       此外，金的評价也适用。　　　　　　　　　　　　

金-鈀或　　      50　　　　薄金表面將是多孔的，所以需要使用鈀。　　　

鈀－鎳　　　　　　　　    

　錫　　　　   100　　　  100g是最小值。更高的值可用來解釋磨損　

　　　　　　　　　　      腐蝕。但必須提供机械穩定性。　

　銀   　　   　75　　     必須解釋表面硫化膜。如用作電能接触則　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　      可能需要更高的壓力。　　　　

　鎳     　　300 　 　更高的硬度需要更高的壓力來确保破坏薄膜。　　　　　　　　

表3.2　接触鍍層的鍍層，硬度，延展性及摩擦系數

　鍍層　　硬度(Knoop) (%) 　延展性范圍　   摩擦系數常用值

　純金　　　　<90               7-10            0.5->1  0.7

　鈷金   　  130-200              <1   　        0.2-0.5 0.3

　鈀　　     200-300              1+　           0.3-0.5 0.3

金-鈀或鈀-鎳   200-300              1+             0.3-0.5 0.4

　銀          80-120              12-19           0.5-0.8 0.6

  錫

　粗糙度       9-12                 20            0.6-1.0 0.8

　亮度        15-20                  3            0.4-0.6 0.5

　93-7          9-12                 17            0.5-0.8 0.6

雙列直插隊　　                  　               0.2-0.8

直插封裝

　鎳          140-400                 5        　 0.5-0.7 0.6

第四章　接觸彈片材料

    

　　銅合金在電氣和電連接器上得到了很廣泛的應用，其原因是由於它具有良好的傳導性能、強度、成型性以及抗腐蝕性能。在本章中將從連接器使用者的觀點，來對商業上可加以利用且其性能適合於運用在連接器上的合金進行其性能的對比。然而與連接器製造相關的重要性能也沒有被忽略，因為它們同樣也影響合金材料的選擇。除了一些對連接器來說獨特重要的方面，一般的關於銅合金的信息讀者都可從參考目錄1-4中得到指導。

　　如表4.1中所總結的，當選擇合金材料時連接器產品的功能性需求如設計因素和材料性能之間的相互關係將會共同作用。合金的種類能滿足產品的功能性需求以及其所分布的功能和如4.1部分中所總結的它們在碾磨過程中的總的方面。銅合金將會在4.2部分中由一般術語進行回顧，更專業的將會在4.3部分中的合金中另以敘述。

4.1 主要的銅連接器合金

4.1.1銅合金的製造

　　銅合金材料在運用於連接器的加工過程中，先是被加工成為薄片狀的板材，然後切成條帶形狀以適應後面的沖壓過程的需要。線材同樣應用於連接器中，但是在端子元件和其他類型的連接器中這樣的材料應用得很少。

　　圖4.1描述了一個典型的薄板和條帶銅合金的製造流程。此外在參考書目3中可以得到更詳細的描述。合金線材以同樣的方式製造但具有幾個顯著的特點：熱擠壓，軋製，和通過沖模的拉拔以改變熱軋製和冷軋製在板材中的應用，以及退火處理過程經常用於這種產品。

　　溶煉和鑄造  銅合金是最先用於可回收的商業應用的金屬之一，這是因為工業上能用經濟的辦法將銅合金中的雜質維持在一個較低的水平。溶煉常用于電溶爐之中而少見於銅合金在真空和惰性氣體下的溶煉和鑄造過程中。　　碳層能提供一足夠的保護。此外，利用真空或特殊的空氣環境將會很大的增加合金製造的成本。

　　氫、氧和碳的污染影響由溶煉過程和熱力學方法來平衡其溶煉層進行控製，其中氫能溶解於銅，氧能與銅和一些合金元素形成氧化物，而碳能與有碳化物組分的合金起反應。溶煉控製包括純電解陰極銅和有選擇的相容合金碎屑。當一些純組分如鎳、錫、硅或起支配作用的合金如磷、鈹、和鉻合金組分增加時，都會引起合金成份改變。

　　板材鍛造的製造過程是從不連續的鑄造成大矩形橫截面金屬錠或薄鑄片開始的。前述大金屬錠的典型尺寸為約150毫米厚，300到900毫米寬，並且經過熱軋製處理以有效的減少其厚度並消除在鑄造過程中殘餘的鑄造微片。另一種鑄造方法是薄鑄片(常用於窄條狀鑄造材料)，其典型的尺寸是約15毫米厚，150到450毫米寬，這些薄鑄片將直接轉到冷軋過程之中。選擇條形鑄造是基於經濟上的考慮因素(熱研磨需要較高的資金成本)以及合金的特性(一些銅合金不容易在熱條件下工作)。

　　前述半連續且大的金屬錠在鑄造過程中垂直利用一個中空水冷的銅模，在開始時此銅模的下底部被封住。溶化的金屬實際上並未象圖4.1中所示的直接進入溶模。此溶化的金屬通過一流槽及分配系統進入溶模，分配系統能通過一陶製閥系統控制金屬的流量。底關閉部從溶模中降低，此時形成一穩定的固體外殼以容納溶化的金屬。鑄造將繼續進行直到一直冷(DC)金屬錠形成以足夠熱軋製的長度。直冷(DC)金屬錠處理的經濟上的優點是幾個金屬錠可當溶爐中的溶化金屬加入相鄰的溶模時同時形成。此外接著通過熱軋製在厚度方面的分離是一個快速有效的方法，盡管在軋製以前要經過重新加熱。

　　水平方向進行的條狀鑄造將會產生呈盤旋狀的薄片，此薄片的厚度是與冷軋中第一次分離的軋磨容易相配合的。薄片在製造中被切成盤旋狀而不影響其鑄造過程。鑄造後的表面將會重新研磨加工以形成高的表面精度。錫青銅大多數情況下用於條狀加工是因為其較差熱環境下的工作性能，而黃銅可廣泛用於熱軋製中的大部分應用範圍，一些合金製造商還將其用於條狀鑄造加工中。

　　熱軋製 直冷錠在幾小時之內加熱以用於特殊合金溫度的需要，這樣就能通過回動研磨將其從25～150毫米的厚度減少約10～25毫米。在熱軋製中快速減少其厚度是可能的，因為其溫度變化可使合金快速再結晶而不是硬化。典型的預熱溫度是從850到950℃。溶爐環境能有效的將氧化過程減小到中性的程度。此階段形成的氧化物對其要求並不嚴格，因為現有的熱軋製片將會在研磨中把表面氧化物及缺陷部清除。此外更重要的是熱處理抹掉了紋理粗糙的鑄造結構，這樣就能達到均勻和較好的效果。

　　當熱軋製完成後，而在水噴淬火及盤卷之前時軋薄片的溫度大約在600℃左右。接著是用機械方法去除熱軋製後的表面和邊緣，此後合金片將要經過一系列的冷軋和退火處理以降低其表面粗糙度，其中退火處理能提高紋理的微觀結構、促進其均勻性並得到所需的性能。

　　冷軋過程  經過製造商與一系列的軋製和退火加工相配合的冷磨處理之後將會得到一性能均勻和尺寸均勻重達1000公斤的盤卷片。分離軋製過程在處理中的厚度可利用前後安排的四高研磨(four-high mill)(其中兩加工軋製由一大直徑的回程軋製)，以及獨立，回程研磨。非常普遍的是通過一系列的研磨後過程可以得到最後的厚度和性能(如已知的Sendzemir 研磨，其加工軋製是經過幾組軋製實現的)大尺寸的厚度是通過接觸計量器的盤旋長度來監測和控制，小尺寸的微觀厚度是通過X-射線或伽瑪射線來度量。線張力和軋製形狀在軋製過程中可以調整以提供一均勻的條狀尺寸。

　　退火 冷軋可減少條狀厚度面增加合金強度但同時也降低了其延展性。有效加工過程中的持續性需要在加工過程中的薄片在其中的幾處通過退火處理孌軟。退火過程中的變軟驅動力是軋製變形過程中存儲能量的釋放。新的紋理是從變形紋理中成形的，並且其尺寸也同時增加。至新紋理處的延伸是允許增加的，因為在成型性和強度上需要更好的紋理微觀結構，此延伸是由退火溫度及持續時間的選擇決定的。

　　銅合金的退火是在同一溶爐的不同盤旋片中進行的，其溫度將保持幾個小時當開放的盤旋薄片通過一退火溶爐(請參照圖4.1)。每一退火方法都有其優點和局限。成批退火其側重點在於加重的前末端處理厚度；通過鍍層厚度處理的退火能達到更大的靈活性，並且每一種方法之間可以相互替換。

　　整爐退火處理是位於一可移動、類似鍾形的內腔之中進行，且此內腔的下部封閉。在內腔的盤旋片是通過處於低氧和低濕度的氮或氮-氫成分的氣體來防止其被氧化。而上述的氣體在內腔快速循環。此內腔又被一更大的可移動的外部空腔所包圍，以收容此加熱源(燃燒氣體或電加熱)。內部鍾形腔內的溫度從250℃(一般用於純粹的銅)到約650℃(用於一些銅合金)。表面質量是由被覆物所保持，而此被覆物可防止線圈之中包裹物的粘貼。殘餘的被覆物在之後的清除加工過程中將被去除。

　　合金線圈將在一到兩個小時內達到均勻的溫度，然後其設在一定溫度並保持幾個小時。通過去除了外層的容腔後退火的冷卻速度將會加快。內部容腔及其內部的保護氣體成分將一直保持到金屬完全冷卻，以避免其受到氧化。

　　線圈的連續退火可利用將薄片(sheet)通過溶爐而實現，此溶爐還包括有一燃燒室以通過直接接觸來對金屬進行加熱。氧化可通過控製氣體成分來減少。對如圖4.1中所安排的垂直溶爐來說，板材通過一頂端封閉部進入加熱區，並且其冷卻是利用沖擊氣體在從下端封閉部退出前進行。板材在低於出口部的水中淬火。排列成一直線的酸清洗和研磨刷將會在板材被盤卷之前完成，而此過程位於溶爐線之末端。

　　氫氣是從壓縮的氨水中提煉出來的，它可與氮氣混合在一起而不發生化學反應。使用這些干凈氣體的火爐除了可能水平放置并且具有更高的防止外面空氣進入的密封裝置外，具有與普通燃燒爐同樣的特性，該火爐通常是在近似標準大氣壓下工作的。薄片 (sheet)被外部的熱蒸餾瓶(retort)或者火爐內部自配的電加熱元件加熱升溫。薄片(sheet)在進入大氣前被噴出的氣體冷卻。

　　在退火過程中，銅合金氧化被減少到了最低點，但是它是不能完全避免的。氧化的程度及形成的氧化物的耐火性依賴於合金組成成分同保護氣體發生氧化反應的活性。非合金的銅和黃銅抗氧化能力相對強一些，因為退火溫度低并且由於熱力學原因， 殘餘的氧化物及用于降低氣壓的露點形成控制要求是適度的。合金氧化物具有很活潑的元素，如金皮或鋁，在商業許可的環境中不能逃避被氧化。酸浸(Acid pickling)(包括稀釋的可與過氧化氫反應而生成更具腐蝕性物質的硫酸)和研磨刷及拋光被廣泛地應用於確保不會引起印刷工具不可接受的磨損的高質量表面和材料。

　　後處理 合金型材制造的最后工藝－退火是相當關鍵的，因為這一步形成了一種材料以達到需要的性質。進行後續退火處理材料的厚度依賴於硬化合金以達到所需的強度或生成調劑的冷軋的次數。本節后續部分提供了冷軋選定合金的例子。為了提高合金材料的性能或降低內部殘渣的彈性伸縮率，材料治煉過程常包括低溫退火工藝。

　　為了消除片狀材料的彎曲或提高其整個面板的平整度，片狀材料可能在最後工序被拉緊撫平。 拉緊撫平包括整塊材料向相反方向順序彎曲，嚙全碾平，片狀料板在拉力作用下同時保持平整。內部綱孔的數量在條料寬度各段會有所變化。來於內部紡織翻轉和拉伸的反向彎曲的聯合效應引起片狀材料塑性變形並局部形成更好的配合鄰接區域。片狀材料中心處更多的塑性變形導致消除由轉曲遺留的長邊緣的皺形。延長邊緣的水平裝置用作消除中等寬度的彎曲。彎曲生產過程被設計來生產可能的最平的長條材料，該材料僅用於必要的更重要的場合。

　　被加工成寬度介於250mm至800mm的薄料最終要用裝在合適位置的轉刀將之切開並壓在沖模寬度。最終沖壓件被象包扎薄餅似地輕輕地包裝以便於運輸。

4.1.2標準的規定(standard designations)

　　合金組成. 合金元素的種類、濃度及其加入治煉過程的影響控制著銅合金的強度。合金強度值可通過幾種途徑來提高，這依賴於合金所包括的關鍵元素類型。由溶液的原子尺寸不同於銅原子尺寸的合金元素引起的不適當的張力和來源於凝結物的張力(strain fields)代表了兩種提高合金強度的途徑。固溶合金及凝結強化合金在用作連接器的合金中占大部分。二次散佈合金的顆粒，比后者粗糙，代表了又一種高強度合金的來源。這些粒子有助於提高冷軋的強度效應。用於提高銅合金強度的機械治煉在本章的后續部分詳細描述。

　　銅合金是根據其包含的重要合金構成物來分類的，因為這些重要的合金構成物對合金的性能有很大的影響。這些合金構成物包括含鋅的黃銅；含鎳，鋁或矽的青銅；含不同數量錫的黃銅及鎳與其它元素(如鋅，矽及錫等)的組合物。表4.2列出了連接器上應用的幾種主要的銅合金，該表還列出了這些合金名義上的組成物和北美用於區分這些合金的統一數字系統(UNS)的代號。每組中決定強度的主要元素都被列於表4.2中並用來標識合金的類型。

　　在統一數字系統(UNS)中，每一組的銅合金都用字母C開頭，其后跟著5位數字(包括以銅或黃銅開頭的3位數字系統)。通常只采用前3位或4位數字。(當尾部數字是零時，常將之省略以幫助銅合金的識別。)

　　統一數字系統(UNS)標準中，第一位數字介于1到9之間，並且數字1到7表示可鍛銅合金(第一位數字8和9表示合金鑄件)。非合金銅和高銅合金(含銅量至少在90.6%以上)被歸入C1xxxx系列的一組。銅鋅合金列於其後(C2xxxx系列)，以下依次是錫黃銅(C4xxxx系列)、錫青銅(C5xxxx系列)、鋁或矽銅合金(C6xxxx系列)和鎳銅合金(C7xxxx系列)等。后面緊跟的數字用來區別每組中的不同組成成分，如C23000和C26000分別代表含10%或30%鋅的銅合金。表4.2省略的部分是幾組含鉛的合金型號，如含鉛青銅C3xx系列，因為這些類型通常用於機械部分(杆狀物和條狀物)，而在連接器上用得較少。

　　調制回火　銅合金調劑的命名系統是由ASTM定義的，推荐的應用型號是B601。該系統是為了取代原有述語，即半硬性、彈性等，但是現在新舊命名同時存在。表4.3總述了用於銅合金(不論產品形式)的退火環境。

　　用作特殊合金的調劑是通過回火冷作硬化或特殊熱處理等聯合效應而生產的得到的。調劑是用拉伸強度和延伸率或者屈服強度來描述的，這些都是用扭轉的方向來測量的。溶液強化合金和二次散佈強化合金是由特殊合金的厚度通過在“準備加鍍層”的回火環境(參考4.1.1節)冷彎曲而制得的。固溶強化合金和二次散佈強化合金，將在4.1.3節描述，通常是用前述方法來說明的，然而，屈服強度常用於凝結強化合金。

　　金屬是由許多微小顆粒組成的 (polycrystalline)，其中單個微小顆粒可以想象為泡沫。 微小顆粒的平均直徑被測量為介於沿著置放在穿過樣品部分的冶金光澤上的隨意分布邊界的截距。微小顆粒在回火環境有等量退化 (equiaxed)的趨勢，在冷軋回火環境中有延伸的趨勢。 微小顆粒的尺寸在某些場合被詳細地加以說明，這已成為銅合金的習知記錄。典型的銅合金微小顆粒直徑介於5到25微米之間，包括在某些特殊情況下產生的優質顆粒和劣質顆粒。

4.1.3合金種類及其治煉技術

　　合金也根據其比純銅更可靠的占優的冶金學機械特性在表4.2中進行分組。而且，每種合金不同地反應了制造某種特性(該特性能區別該合金)的化合物的過程。

　　銅合金占優的冶金強化機理包括固體溶解強化、二次散佈強化和凝結強化等。一些合金通過多種途徑化合強化。固體溶解合金指那些主要被廣泛地溶解於合金里的元素強化的合金。當某一合金元素超出溶解極限時便產生了尺寸由粗糙(1微米以上)到中等大小(幾十分之一微米)再到很細(幾百分之一微米)的第二階段的粒子。提高強度的最大功臣是尺寸為亞微米的細小顆粒。最大的顆粒一般來源於鑄件。具有中等尺寸的顆粒來源於熱機械過程。二次散佈強化合金包括通過增加冷加工效應來提高強度的中等尺寸顆粒。凝結強化合金把其強度歸功於由促進其形成的熱處理特殊順序生成的細小顆粒的特性。

　　固體溶解合金．含有鋅，錫，矽，鋁及鎳的銅合金構成了大多數商業上的固體溶解強化合金。這些合金主要另外由一到二種元素組成。錫，矽和鋁等額外元素提供了最大的強度。鋅和鎳必須加入比錫和矽更多的劑量以達到相同的強化功效，但它們有合金中也具有更大的溶解度。經過固體溶解強化的合金具有與銅相同的原子晶體結構并且當對某部分進行微觀分析時會發現其呈現單一階段微觀結構。

　　把固體溶解合金象典型的沖壓那樣變成片狀的碾磨過程包括重複多次的受控冷壓過程和熱壓或鑄造環境的回火過程。 圖4.2舉例說明了由a read-to-finish的回火環境得到的固體溶解合金的典型冷壓彎曲過程(該圖描述了C260，一種含30%鋅的黃銅合金)。這些彎曲用作定義在制造合金調劑中所需的彎曲強度值。就象厚度減小延伸性下降一樣，冷壓增加了合金的強度但也會伴隨著更低的延展性。

　　單獨的固體溶解合金元素的強度增加主要包括三個重要因素：（1）由加入元素的原子半徑與銅原子半徑不合適和相對銅的電子結合（原子價）引起的強度提高效應；（2）合金元素溶解的多少及（3）其對從冷壓操作到最終回火條件的冷作硬化率的影響。圖4.3列出了三種商業合金中的鋅和錫對合金強度的單獨影響。這些合金包括含10%銅的鋅黃銅器(C220)和含5%銅及8%錫的青銅各為(C510和C521)，該合金常與非合金銅(C110)作比較。如果在回火和冷作硬化條件下對含5%銅的合金和含8%錫的合金作比較就會發現兩者的強度比含10%鋅的合金的強度提高的多得多。如果根據每種合金中合金元素的百分比含量來作比較，就會發現各種合金的強化效應具有更大的差異（由於更厚的錫比鋅含有更低的原子百分比）。

　　圖4.3顯示，若達到相同的強度，8％錫合金所要求的冷軋次數較少。拉伸度及可成型性等其它方面因此隨強化合金在高強度時更加可靠。因為銅合金需要更多次的冷軋，所以對錫-銅合金而言，冷軋銅達到相同的強度，其可成型性更差。各種合金各自的可成型性將在本章後面討論。

　　固溶合金中的合金元素引入了其它替換性特性。其中商業性合金的導電性只有非合金銅的一半，更多關於合金處理對導電性影響的說明將在第4.2.1節討論，對抗腐蝕性的影響將在4.2.5節將論。

　　通常來講，固溶合金在中等強度作用下的可成型性較好，對腐蝕及導電性有不同程度的替換。與固溶合金形成競爭的是二次散佈合金（dispersed second-phase alloy），它在中等強度作用下能夠提供更好的導電性，並且凝結強化合金在導電性、強度及成型性有更好的結合。

　　二次散佈合金 該組合金通過加強對亞微米粒子而不是粒子冷處理的反應而具有更優的強度。冷處理會在包含有一定比例拉伸力的金屬結構內部產生線性分離（linear defects）。相同數量的二次散佈合金粒子與普通固溶強化合金（solid solution-strengthened alloy）粒子相比，二次散佈合金粒子會促進更多欠缺的產生。因運行而產生的欠缺越多，通過它們間相互干擾所產生的連續變形抵抗力就越大，即增加了它們的強度。

　　二次散佈強化對提高強度的作用是因為熱加工過程而不是來自於鑄造過程。選定可使合金元素形成固溶合金的臨界退火溫度，失去退火條件（strip annealing conditions）也須調整到不再溶化已處理合金元素而可以再結晶，盡管該退火方式也能用於再溶化所需要的合金元素。

　　對固溶合金而言，傳送原料帶的回火度由冷軋通過對經過退火的准備鍍層的量的控制而得到。二次散佈粒子同時也通過延遲粒子在退火過程中的增長而精煉微粒構造，因此而促進合金的強度及經常促進其可成型性。

　　圖4.4顯示了兩種不同二次散佈銅合金工件的硬化曲線。一種主要包含2.3%的鐵及數量更少的磷和鋅，而另一種包含了22%的鋅以及更少的鋁和鈷（C688）。銅鐵合金成份超過了鐵在銅中的溶解度，且在退火過程中形成鐵粒子。這些分散粒子的主要影響是提高經冷處理後的銅合金矩陣的強度。該影響通過比較C194與非銅合金C110的冷軋曲線而更加明顯。大約不到0.01%的鐵保留在固溶合金中，這些散佈的鐵粒子減小了銅的導電性。

　　銅-22%的鋅銅（C688）含有鈷-鋁金屬間化合散佈階段，該過程對精煉粒子到10µm以下尤其有效。相反，10到25µm的粒子是典型的第一階段，固溶合金。零件的硬化率也固有意地加入C688粒子而得到提高。C688與鋅銅二元合金及相同數量的鋅（C240）的曲線比較說明了這個效果（圖4.4）。對相關的那些經單獨溶解而強化的二次散佈合金而言，較少冷處理零件通常需要達到相同的強度，因此，二次散佈合金在相對強度下通常更容易成形。

　　二次散佈合金可提供很寬的導電率範圍（請參閱第4.4.1節）。C688與該組其它合金相比其導電率更低，盡管其硬度很高。散佈保持在銅基材合金中的鋁與鈷說明了為什麼合金的導電率較低。從該組合金中同時將較好的成型性與適當的高強度結合起來是可行的，它們性能的結合接近於凝結強化合金的這些特性。

　　凝結強化合金 可以在凝結強化合金中得到提高的過於精煉的二次散佈粒子通過阻止線性原子的分離運動而直接影響合金強度（對經強化了的冷處理零件中的二次散佈合金的主要影響）。它們的封閉空間，有時通過可伸縮的不適當擴大阻止產生塑形的影響範圍彈性區域的輔助，對它們的強化效果是有影響的。這種不適當的彈性源於銅與合金元素之間原子大小的不同，因為後者原子簇在以銅原子為主的合金原子矩陣中形成了粒子。

　　僅僅有一小部分銅合金可以得到凝結強化。它們與其它合金相比突出的特性在於：在溫升時合金元素的高溶解性，及低溫熱處理時更低的溶解性。通過持續的熱處理充分利用它們的雙重溶解特性，設計這些合金進程發展更精細的二次散佈合金。因此，處理過程在相對的高溫下通常包含料帶退火，並伴隨快速冷卻，以盡可能地溶解溶合。該處理以後，通過低溫且更長時間的臨界退火（或增加處理）產生所需要的精煉凝結粒子分布。

　　商業上重要的凝結強化合金是與金皮或銘元素，或雙層鎳與銀或錫，或鉛的合金。盡管數量很少，凝結強化合金在要求更多的電連接器應用上仍是一組重要的合金，優良的成型性、對高溫下伸縮的高抵抗力、以及良好的抗腐蝕性是該組合金的特殊性質，而導電性則可以從相對較低，與最強的鈹銅相比，到適當較高的數值，與銅銘合金相比。

　　凝結強化（或提高壽命）處理可以通過電連接器的加工或通過合金的研磨進行。決定選擇一種或是另一種取決於商業上對強度及沖壓成型性這種特殊的熱處理加工性能，及與室內執行該最後強化處理相關的成本對研磨處理合金的更高成本的要求。通過優化的處理溶液加上冷卻條件可以得到最高的可能強度。其成型性隨強化處理強度的增加而降低。因而，大多數對幾何形狀有要求的部件在材料處理前預先成形。凝結硬化處理前後的屈服強度如圖4.5所示。冷軋回火熱處理，而不僅僅是溶解處理，導致最後合金強度的增加。導電性及強度隨銅原子矩陣在合金成份中因二次強化鈹化物的形成而逐漸衰竭。

　　但更經常的是，凝結硬化處理過程通過料帶加工作為最後的制程，在該狀況下材料是指研磨硬化材料。這些研磨處理的回火在強度與成型性之間形成一種平衡；合金典型地被處理為在最高強度以下從而提供比完全凝結強化條件下更好的成型性。圖4.5所示的這種研磨硬化回火顯示了與合理有用的成型性的關係。

　　通過研磨硬化回火（mill hardened tempers）有兩個優點：（1）潛在降低加工成本及（2）更好控制尺寸（dimension）。熱處理過程中沒有氧化物移動，附加的操作及挑選酸性物質處理即可以避免。在凝結過程中特定的體積變化可能改變尺寸。成形部件上殘餘的壓力促進凝結反應的進行，同時拉力促進凝結產生的體積膨脹。這種影響在商業上通過對熱處理時部件的壓迫，或成型可補償預期變形的尺寸而得到控制。大多數凝結強化合金，包括金皮銅和銅-鎳基材合金，因為該理由而經常利用研磨硬化條件下（mill-hardened condition）。

4.2電連接器合金性能

4.2.1合金的選擇因素

　　材料性能與電連接器的功能性要求間的關係可參閱表4.1所總結。大多數重要材料與功能相關的性能包括導電率、強度及伸縮系數。通過減少接觸壓力（伸縮現象）和抗腐蝕力來影響可靠性。可成型性及尺寸控制影響滿足電連接器產品功能性需要合金的機械加工可靠進行的能力。

　　與導電性有關的決定性因素是電連接器是試圖傳輸電流（通常幾十安培）還是試圖傳輸電信號（通常1安培以下）。正如所預測的，高導電率合金更有利於電能傳輸應用以避免產生大量的焦耳熱，但在電壓必須受預定的電路損耗時，它們可能對信號傳輸更為有利。

　　合金產生的強度及伸縮系數決定了電連接器配合時接觸彈片的接觸正壓力。經常，對提高接觸壓力的有效性壓力可通過變曲得到。從彈性臂端子（見第6.3.1節）得到的正壓力（Fn）的關係可表示為：

　　　　　　Fn=αmodulus×deflection×αstress  　　　　　  （4.1）

　　幾何上因素（如梁的寬度、厚度、及長度）使該等式最終成立。彎曲伸縮系數可遵循胡克定理提供的懸臂彈性而用於決定接觸壓力（這就是說，所加的彎曲壓力不能超過比例限度）。該比例限度隨著其它屈服強度的增加而傾向於增加，並因此受合金及其過程影響。因而，在給定材料厚度的情況下，高強度合金通常能提供更高的接觸壓力。施加壓力超過其彈性限度會導致微結構的變形。最終結果是如果彈性移動僅僅通過伸縮應力產生則接觸壓力小於將要達到的（最大接觸壓力）。

　　連接器的可靠性需要連接器處於工作狀態過程中，接觸壓力保持穩定，或至少不會低於所允許的極限值。當接觸彈片處於長期的應力狀態下時，即使應力是在彈性範圍以內，微量塑性變形依然會發生。一些初始的彈性應力和張力可以被塑性變形所取代，這樣會導致接觸力減小。(一種解釋為應力釋放的現象)。冶金過程中的微塑性變形是受溫度影響的，並且，當工作溫度處於80－100℃時銅合金的微塑性變形會變得很明顯。某些合金對溫度的影響具有較高的抵抗力。多個連接器並聯時，接觸力的穩定性明顯增加。為了讓插入力處於一個合理的水平中，接觸力可以被設計得接近於允許的極限值，這是為了保持可靠的電性連續性。然而，這種情況下的工作過程中，初始力的降低必須保持在範圍允許的最小值。

　　對於可靠的連接器性能還需要滿足一個額外的要求，那就是其合金的成份必須能夠防止在工作環境中受到的化學腐蝕。如有必要，銅合金會鍍上一層金屬以增加對受污染的空氣及化學物質的抵抗能力。

　　折彎加工是連接器成型過程中最常見的工步。端子料帶材料存在一個在加工過程中不至於斷裂的極限範圍，該極限是選擇端子合金及其回火方式的關鍵之一。在某些連接器的組成部分要防止伴隨成型加工所生成的不規則的粗糙部的產生。如果鍍層出現很明顯的起皺現象，就會影響表層金屬的連續性，但不至於一起基材銅合金的破損，所以這種起皺現象在連接器的特定部位上發生或許是可取的。

　　同樣與成型加工相關的是對受成型過程或成型后熱處理過程彈性回復影響的尺寸的控制。這可依照經驗或者由銅合金料帶供應商所提供的信息來調整治具，以實現對尺寸的控制。

　　在以下的章節里，將選擇性的討論合金的性質，尤其是前文所提到的對連接器性能很重要的性質。首先要討論的是最具有區別特性的合金傳導率及其強度。一般來講，強度越高的合金其傳導率越低。

4.2.2 傳導率/焦耳熱

　　銅合金的電性傳導率是以一種獨特的方式即占純銅標準(International Annealed Copper Standard， IACS)的百分比來描述。在早於一個世紀以前當純銅標準剛建立時，IACS百分數值是用來表示純銅的純度。隨著冶金技術的進步，開發出許多具有商業價值的具有更高傳導率的銅合金。C110的IACS百分比值為101，它是商業純銅。純度測量的基本原理是先測出其電阻率再經由除以172.4從微毆轉換成IACS百分比值。連接器用的銅合金其電性傳導率IACS值一般在5～95％範圍內。IACS值小於30％的銅合金其傳導率適合於信號及小電流傳輸的連接器。以傳輸電力為主的連接器其IACS值一般要超過70％。表4.4中列出了常用的連接器合金的傳導率數值。與穩定的溶液相比，合金的傳導率會隨著各種其他金屬成份的減少而增加。插圖4.6描繪了向穩定溶液中分別加入鎳、錫、鋅三中雜質后所得不同傳導率的曲線。每組合金曲線體現了相應商業合金的最小傳導率主要取決於合金中的主要合金成份（當然亦包括含量較少的一些雜質元素）。某些元素如錫和鎳的存在會使傳導率大為降低。鋅雜質對合金傳導率的影響不是很明顯。經完全退火處理的合金其電性傳導率亦會降低，但這種影響較小（IACS值在2～3％範圍內的較為典型），而經回火處理的合金其電性傳導率受到的影響明顯得多。

　　溶解元素的凝結會導致較高的傳導率（如合金中鎳與矽結合形成的矽溶液，鐵從銅－鐵合金中結晶出來）。插圖4.7將連接器合金按照傳導率（或強度）分類描述，同時也顯示了這些合金各自的增加強度的不同方法。

　　銅合金的電性傳導率及熱傳導率之間是通過LORENZ法則聯系起來的，如插圖4.8示。該法則從所建立的超導體金屬模型上獲得，它指出電性傳導率與熱傳導率之間通過LORENZ系數相互聯系。有了這一法則，合金的熱傳導率就可以通過測量電性傳導率或電阻率而方便地得到。

　　在室溫環境中，低的電性傳導率對應於低的熱傳導率。可以推理得出，歐姆加熱器用低電性傳導率的合金作成，當給其加入較大電流時，由於其熱傳導率亦較小熱量不易散發而產生大量熱能。對於具有相同傳導率及相關基本組成成份的合金來說，各成份的比例關係十分重要。

　　LORENZ系數與溫度有關，而且各種合金成份的電傳導率和熱傳導率與溫度變化的關係不完全一致。舉個例子說明，不含合金成份的銅，當溫度升高時，其電性傳導率比熱傳導率要降低得多得多，而對於銅的合金成份，其電性傳導率隨溫度升高而降低的同時，某些熱傳導率卻會隨溫度的升高而升高，LORENZ系數可在10～20％的精度範圍內將熱傳導率從電性傳導率（或電阻率）中區別出來。

4.2.3 強度

　　延展特性，包括屈服強度及彈性系數，作為區分各種合金成份的一種尺度而應用於特殊連接器的設計當中。由於連接器常見的應力形式為彎應力，因此彎曲應力也要作為合金的一種機械特性而附加考慮。拉伸及彎曲應力特性是合金加工中十分重要的考考慮因素。各種各樣銅合金的彈性系數均有略微不同，彈性的恆定並不是取決於各合金自身受到加工過程的影響，而是由其材料形成時結晶組織所固定的彈性系數來決定的。

　　拉伸強度  按照拉伸特性所選擇的連接器用合金按照其相關電性傳導率列示於圖4.7。圖中多數結晶合金均運用回火工藝而獲得380～700MPA的拉伸強度，其傳導率一般低於35％IACS，而較為離散的合金其傳導率卻較大，一般在50％IACS以上，其強度只比那些集中點代表的合金略低。凝結強化合金和與其具有相同傳導率的溶液強化合金相比其具有最高的強度，和二次散佈合金相比具有較高的強度但是傳導率較低。

　　彎曲強度/接觸壓力　對於最初的材料選擇和對它們從供應商得來的規格，可延展性能是足夠的。然而，彈性端子常常是懸臂梁，所以(and)彎曲應力—應變特性基本上是適用的。依靠材料性能上的限製是否被超出，或者當使用錯誤的應力應變數據時，接觸壓力可能被錯誤地預測。

　　如圖4.9所示的青銅在接觸彈片 (contact spring) 受壓超過了性能極限時的拉伸、壓縮和彎曲應力應變曲線。這些曲線的限製(Dert-ermination)在合適的指定的ASTM方法下會被覆蓋。彎曲包括暴露表面的拉伸和壓縮特性，並且這些特性間不存在必然性的對應關系。因此，彎曲應力應變曲線將對在缺少拉伸和壓縮數據時接觸壓力的預測會更有益。如例子C260所示的那樣，壓縮曲線在強度上比拉伸曲線更高，但這個相對的順序不能被認為是一般性的。

　　而且，對於冷軋制材料的管理，彎曲歪斜反應常常是相當直接的。如圖4.9也表明了C260的各向異性。當彈性端子元件被對齊普通(或垂直)長條(strip’s)旋轉方向時，可以期待從合金中得到更高的接觸壓力。而且在垂直方向上，拉伸曲線比壓縮曲線更高，在橫向方向上則剛好相反。長條在橫向和縱向上的相對強度也由合金與製程所控製。

　　彈性系數　合金化處理和加工過程只是稍微會影響銅合金的拉伸與壓縮彈性性能。手冊中的彈性系數的數值範圍是在高銅合金和鋅黃銅直到C230上加壓117MPa，和在C260與錫青銅上加壓110MPa所得到的。例如對於鎳銀合金和C725加壓124-138MPa，含鎳合金比後者具有更高一點的彈性系數。低硬度合金也具有比其它合金更高的彈性系數，即對於老化回火的鈹銅和C7205具有131-138MPa的值。

　　製程在兩方面影響彈性系數。冷軋制回火的穩定韌化依靠合金和回火，易於增加彈性系數5-7MPa。製程也改變了彈性性能的方向。彈性常數直接是銅合金之類原料的三次方，不象導電率只是平方。例如C7025有經向和緯向上分別具有131MPa和140MPa的彈性系數。

4.2.4應力松弛/接觸壓力穩定性

　　對於連接器可靠性能的關鍵是當它在工作時，它保持電性導通(transparent)。然而，當受拉伸應力時，來源於在彈性端子原料裡多微孔性的接觸壓力的降低最終可能導致不可接受的接觸阻抗。因為發生多微孔性的製程是由於受熱引發的，所以高耐用溫度導致它們發生不同程度的變化，這依靠於合金和它如何製成。

　　如果端子初始變形超出了彈性變化範圍，那麼伴隨任意的原料畸變，接觸壓力在第一次插入後迅速的發展取決於彈性端子的彈性回複。當使用時，彈性變形隨彈性原料依靠時間和溫度的多孔性畸變會部分被回複，從彈性變形到塑性變形的變化結果會降低接觸壓力。這種變化稱之為應力松弛，它隨溫度的增加而增加。然而應力鬆弛不同於發生在固定不變的端子彈片上的隨時間變化而應力降低的現象，而應下意識地聯系到在裝配載荷下隨時間變化而引起的幾何形狀的變化(應變)。

　　許多合金在室溫條件和微小溫度變化情況下有足夠的實用性，但當工作溫度增加到80--100度時， 表中可利用的合金性能會受到更大的限製。應力松弛的阻抗會受固溶合金元素和其它對金屬上微量塑性畸變的阻礙而變化，比如細微的二次散佈合金顆粒和凝結合金顆粒。

　　檢測不同銅合金的相對應力松弛的阻抗常常是在懸臂彎曲中進行的，最初是在檢測設備中施加50%到100%的屈服強度壓力。按最初在制訂的持續曝光條件下保持的彈性應力的百分比數來指定穩定性標準。C510的應力松弛性能如圖4.10所示。當以對數坐標來描述時，應力保持數據是線性對應的。這個線性特性允許用推斷法去預測更長遠的性能。檢測常常持續充足時間以確保應力松弛特性保持線性或者包括任意可能發生的直線斜率的變化。

　　圖4.10中的例子也表明冷工作的數量常用在取得強度上的影響穩定性(更大強度的回過火的H08的穩定性比H02要低)。在某些場合，因為具有更好的長期穩定性，低溫回火能在端子上提供更高的承載能力，甚至低溫回火能使應力低於開始狀態。同時也應該注意到其強度明顯低於初始狀態，在第一小時內，初值下降得很快也表明了這一點。

　　應力松弛特性也可通過最初在漫延-破裂上發展起來的雷斯密爾方法而得出。這種方法需要在大範圍內的雷斯密爾參數來決定。該參數被用來限製一個控製曲線，從而估計保持在任意時間和溫度組合條件下的壓力。該方法的一個缺點是假設了簡單機理反映了在一個決定參數的溫度範圍裡的應力松弛。因此，從這種方法中可能得出錯誤的結論；由於應力松弛特性受溫度影響，是以該方法的另一缺點仍在爭論之中。

　　低溫熱處理能提升應力松弛阻抗。這種處理主要目的是用來有效避免強度的改變，就象在調質退火的軋制H08的回火而產生HR08一樣。穩定性也能是具有方向性的，隨橫向和縱向的性能不同而在退火中變得更明顯，或經冷加工而使該差異更為明顯。

　　在某些特定的溫度下，一些合金元素能比其它元素更具有影響力。這種影響的層次相關於同樣的因素，即列在前面由溶解元素加強的因素。錫在增加了基體百分比後有額外的超過鋅的對應力松弛的影響力。如圖4.11所示，一種含錫8%的青銅合金(C521)比含錫30%的青黃銅(C260)具有更大的應力松弛阻抗。同時要注意到錫青銅具有更高的硬度(730MPa的屈服強度--H08)相對於C260黃銅(590MPa的屈服強度--H08)。

　　由不同合金元素所提供的溫度穩定性也不同。錫青銅能比鋅青銅用在更高溫度的場合。如圖4.11所示，C260處在邊緣，因為保持在1000小時(折合5周的使用時間)後，只有低於75%的應力存在。青銅在使用溫度上受到限製，不得超過75至100度，而錫青銅和錫黃銅可達125度。一些散佈層次的高強度合金比黃銅具有更好的穩定性，如圖4.12所示，但C151是例外的。

　　在從中溫(105-125度)到高溫(150-175度)的最大的應力松弛阻抗對於結晶合金是可利用的。以150度調質退火的錫青銅與鈹銅的比較來看表明了這種影響(如圖4.13所示)。兩種所示的回火合金都具有相近的導電率。

4.2.5  成型性

　　對於選擇合金材料重要的是在沖壓成型過程中能夠獲得所需要的幾何形狀的能力。按治具的半徑彎曲90度或是更大的角度，也同時降低厚度來幫助彎曲定位，都是連接器沖製上常用的。當合金充分退火後，絕大多數成形是可利用的，但在此條件下，強度會降低。固體溶液的冷軋制和散粒硬質合金增加了強度，但卻消耗了成型性能。鑄造方式有效地改變了回火性能，這可能由於它造成的加工硬化而損害了成型性能，或者由於其厚度降低而導致有助於成形。

　　在它們製程中的大量的冷加工所發展起來的更高強度的回火結構也可能在一個方向上比在另一個方向上表現出更好的成型性能。當可能時，最大的成形能力出現在彎曲軸線垂直於捲曲方向。這個方向是首選的，因為它常常比另一方向的回火能具有更好的成型性。在這個方向上的成形稱之為徑向的，因為它指出了隨彎曲的進行金屬流動的方向。對應到平行於軋制方向的彎曲軸線的成形則稱之為緯向的。緯向彎曲上最小的可接受半徑能比經向上更大，特別對於高溫回火的固溶合金和散佈強化合金。在連接器殼體部分中的90度的彎曲常常朝向窄條導向以利用縱向的成型性。窄條能形成而不產生裂縫的沖模最小範圍為由設計者和製造商所共同支持的合金窄條所定義，其中的裂縫定義為一不可接受的粗糙表面。材料的工作性能可以從彎曲的最小彎曲半徑(MBR)而得知，由窄條厚度(t)所分割。較小的MBR/t值表明有較好的成型性。

　　圖表4.5中總結了所選擇合金的相關成型性。此圖表表明了名義上可拉伸強度其其每一合金可接受的最小彎曲(MBR/t value)在其縱向上和橫向上從1到1.5。在沖壓工具中的實際性能與此有些不同。此圖表中所示的強度在縱向上較高，這樣與通常此方向上的成型性較好是一致的。此圖表同樣表明了銅合金的一個與其獨立的強度來源相關的總趨勢。此固體溶解強化合金可提供一較高的強度，從而能使規定的最小成型性比固溶合金以及散佈強化合金要小，因為此成形過程與其冷工作下性能的相關性很小。與此相似，在一組固溶合金中，如C521，其溶解強度為8%時能提供比C511更高的強度，而C511只有C521含有錫的一半(4%)。同樣地分布強度合金有比純銅高得多的強度。

　　不要忽略在固體溶液中的合金元素其強度可在傳導過程中得到增加。凝結強化合金能提供較高的傳導性且與其他類型的合金相比在高強度下有更好的成型性。靈活性可從銅模的溶液強化的聯合中得到，而此銅模與冷加工和沉積變硬結果將導致強度、研磨過程中的成型性之間的獨特的平衡。此平衡也在圖表4.5中得到反映。

4.2.6  抗腐蝕性 

　　銅合金通常對化學侵襲有較強的抵抗力，所以好經常在沒有保護鍍層的情況下使用。當在苛刻的環境下使用時，如自動化應用中，銅合金通常在其表面上鍍一層錫或錫料以提高對腐蝕的抵抗能力。在這些實例中，錫或錫料鍍層也用於接觸鍍層表面。銅合金在其它的應用性能中所覆蓋的東西更為詳細。

　　作為連接器應用的一個重要性能，是其局部微觀結構的壓力腐蝕。可以將其描述為腐蝕性的環境和高彈性的外部拉壓力，將導致對其的裂縫產生和最終失效。此壓力的存在有一外部根源，如產生於連接器配合過程中，以及內部根源(如來自保持導引線的成形及彎曲的殘餘應力。)局部失效模式將在其作用顯現於表面時被覺察到，並且其沒有顯著的塑性變形。此裂縫路徑位於微粒之間(其可相互作用)，而裂縫可通過紋理結構進行傳播。此裂縫可通過合金與媒介進行傳播漫延。

　　要出現壓力腐蝕就必須有如下三個條件的存在：

　　1.合金必須易受到壓力腐蝕的影響。

　　2.其工作環境使得此特定的合金易受影響。

　　3.拉伸力的存在。

　　此相關的幾種合金對用於連接器的可接受性如圖表4.6中所總結。此指數用於在不同環境下整合其性能的分類。這些工作環境的範圍從輕-中等的工業環境到航海的條件以及最惡劣的暴露於潮濕的氨氣中的條件下。此指數成線性分布從0到1000。

　　最易受保護的金屬包括鋅，C260包含有30%的鋅是最易受保護。其作用是產生限制以達到一個良性的環境。而如只含有15%鋅的C230以及含有僅僅較低鋅和附加的鎳(如C770)，其可顯著的增加對壓力腐蝕的低抗能力。錫-青銅，鎳-硅和鈹-銅合金都是具有較好的抗腐蝕能力的銅合金。銅-鎳合金和高銅合金對化學侵襲產生的裂縫將有很重要的保護作用。

4.2.7 可焊性

　　大多數銅合金能被錫、錫－鉛合金、以及其他不同的常用於低溫合金的焊料焊接而用於電氣和電子應用。從比率圖系統中此相關的可焊接能力表明，對一特定的流量來說其概括了錫和焊料層的性能特性，並且與相關的容量可消除任何位於材料上的污垢。

　　內在的焊接性能通常由可視的樣品檢查來決定(經過軍方標準和美國材料實驗協會規定)，其通常是溶化並浸入焊料之中經過一特定的時間。一級品為完全被焊料所浸濕，而三級品的焊接性為只有50%的被浸濕(殘余物顯示在焊接薄膜上有銅-錫合金的金屬間化合物的產生)。焊接性能在三級以上或更好的合金適用於大多數的連接器應用。電子應用中溶劑的侵入其範圍從適度的樹脂(如R型)到逐漸具有活性(如RMA型)。與我們所期望的一樣侵入更多的焊料將會導致更好的焊接性能級別。

　　表4.7顯示了當使用一種中等活性的助溶劑時所選合金固有的可焊性。大多數電連接器合金都具有1至2等級的可焊性黃銅的可焊性比其它合金差。在可焊性要求很高時，具有第3等級可焊性的材料是通過在鍍錫或焊劑的條件下獲得的而不是在溶化的焊劑裡加入助溶劑而製得。

　　錫和焊劑鑄成品被應用於銅合金條以確保由該材料製造的成品具有良好的可焊性並保持相當時間及提供抗腐蝕能力。現在可生產數種這樣的鑄成品：這些成品被機械地磨擦或被空氣刀切出一條溶化的路徑，就象電鍍和回流那樣(被加熱或高溫油浸泡溶化)。每種鑄造成品都具其自己的內部金屬厚度特性(來自於底層銅合金與錫的反應)，合金厚度邊界和公差許可的製造厚度。

　　在室溫倉庫中，即使是沖壓後沒有內部金屬階段的電鍍錫鑄件在一個月後也會生成20～30微米厚的內部金屬層。內部金屬階段的形成也表明底層合金與錫或焊劑鑄件之間發生了金屬原子的擴散。合金成分擴散到鑄件表面並且當這些成分與硫或氧等發生化學反應而生成抵抗薄膜時， 合金成分擴散就會使鑄件的焊接性能下降。一些合金的成分很可能擴散到合金表面而形成諸如鋅的反應薄膜。Steam-aging和高溫烘烤測試被用於判斷錫鑄件的品質。接觸電阻的增加和焊接性能的下降是內部擴散和合金成分與周圍大氣反應的結果。

4.3特殊合金性質

4.3.1 稀釋銅合金(Dilute Copper Alloys)

　　稀釋銅合金又稱高銅合金，指合金元素含量低於4%的銅合金。作為一組，這些銅合金在所有銅合金中具有最高的導電率和極佳的在一般壓力和高壓力下的耐腐蝕能力。在足夠的成形能力下的拉伸強度被限製在低於大約500Mpa拉伸強度，因為其拉伸強度主要由冷卷(請回憶前面提過的主要用於降低成型性能的冷作硬化)。該合金組在相對零溫度到80攝氏度(華氏176度)之間提供了很好的對壓力松馳的抵抗能力。

　　表4.8總述了合金元素含量低的銅合金的典型特性。按合金中合金元素含量的比率來計算，上述銅合金的相對導電率有所下降。合金元素自己也極大地影響了傳導性能，這是其內部電子結構因素的結果。C151是一種也具有最低的合金含量(含0.1%左右的鋯)和最高的導電率的二元合金。該合金通過銅鋯的易擴散以與冷作硬化結合而生成第二階段顆粒而使其強度提高。留有固體溶解物裡的鋯元素含量不超過0.02%。C151的最重要的性能是在高溫下仍具有很高的抵抗壓力釋放的能力，盡管其合金元素含量很低。該合金由於在高溫下具有比其它高銅合金，包括凝結強化合金，明顯的優良性能，因些該合金等級較高。C151在150攝氏度的高溫下保溫3000小時後仍具有其初使87%的壓力；然而強度比凝結合金要低得多。

　　鎂和磷在C155中要反應生成磷化物。這些顆粒在通過從溶液中除去鎂和硫而達到高導電率的同時增加了冷作硬化的效應。該合金也需要加入微量的銀以在低溫回火時提高防止軟化的能力。C155應力鬆弛阻抗在高銅合金中是適度的。

　　低級別的銻和錫(含於低氧銅或磷再氧化的銅) 也能增加軟化抗力，如C1443和C145。控製殘留的氧對避免生成防止銻元素提高軟化阻力的銻氧化物藉非常重要的。這些合金的導電率是很高的，因為留在溶解合金裡的合金添加物的含量是很小的。這類合金的壓力釋放過程並不特別。

　　C194、C195和C197代表了一組基於鋼和磷組成物變化的合金。強度提高是因為當這些合金被冷壓以生成調劑時用作增加冷用硬化效應的磷化物的擴散(含有鈷，鋼和鎂元素)。強度和導電率是由添加於C195的溶解強化的錫來均衡的。在該組基於合金的磷化鋼中，C197提供了最高的導電率，因為C197含有在其形成過程中生成的混合鋼和磷化鎂。

4.3.2鋅、錫及改善黃銅(Modified Brasses)

　　銅鋅合金在用作製造工作溫度(環境溫度或焦爾熱)適中且成本低的電連接器的銅合金中最出名。在這些合金中，C230(含15%鋅)和C260(含30%鋅)恐怕是最常用的了。在相同的成型能力下，C230的強度並沒C260的高(如表4.5所示)，但是這些低合金組成物提供了更高的導電率。鋅黃銅合金(包括C230和C260)的壓力釋放阻力是適度的(表4.9)，這限製了其使用溫度大約在75攝氏度左右(167華氏度)。含有15%或稍少的鋅的黃銅合金也更不易受擠壓腐蝕裂縫的影響。

　　錫銅合金由於比二元銅鋅合金具有更好的強度成型組成物和壓力釋放阻力以及抵抗壓力腐蝕裂縫的能力而顯得更具特色。錫加入物在強度上是可靠的，因此在冷作硬化時需要降低組成物的含量；更好的成型性能是該舉措最直接的效益。通常含有10%鋅和2%錫的合金C425作為降低錫合金成本的替代物應用呈上升趨勢。C425的導電率與C260不相上下。C425的導電率也比最重要的錫青銅合金要高(下一節將對此討論)，但成型性能並設有錫青銅那樣好。C425的壓力釋放阻力也要比上述鋅青銅合金好，這允許它應用於達到125攝氏度(257華氏度)高溫的環境中。

　　鐵，鈷，鋁及矽等合金加入物和銅鋅組成物進一步改善了原本已經高度易成型的基本黃銅合金的一些重要特性。C664(表4.9)中的鐵和鈷是擴散的粒子加入物並將導致在與C260相同的強度水準下獲得更高的成型性能。合金C664很可能在需要更高強度的應用中作為C260的潛在替代物。

　　鋅黃銅(C688)的鋁和鈷等加入物混合了來自對呈現的鈷鋁合金進行更有效的冷作硬化以獲得精煉粒子(10微米以下)的強化功效。該結果是得到一種易成型的合金，該合金提供了不經凝結強化的可得到的最高強度。表4.9列出了相對於其它鋅銅合金的鋁擴散強度合金的特性。值得注意的是作為冷作硬化的高效能的組成物，需要更少的工作即可達到所需強度，成型性能在橫向與縱向是一樣的(參閱表4.5)。與隨後說明的凝結硬化合金不同，C668合金及大多數其它黃銅合金的壓力釋放阻力被限製應用於低於100攝氏度(含錫合金C425除外)的條件。

4.3.3錫青銅

　　粗糙的錫青銅也指磷青銅，因為加入的磷(含量在0.03到0.35之間)是為了使金屬還原和達到更好的流動性。含量在1%到10%之間的錫通過溶解硬化和增加錫元素給予銅的(表4.10)加工硬化率而達成強度提高。商業上最重要的錫青銅合金是C510和C521。C510合金是最常用的錫青銅合金，當更高的強度/成型能力組成物成為必要時，常使用成本稍高的C521合金。後者高出的成本是由加入的金屬基本成本和加入的錫影響熱加工而提高的成本組成。含錫量高的青銅必須鑄成條狀，因此防止大部分成本，熱壓碎成為了可能。

　　源於更高的錫的充許範圍的強化處理被低導電性所抵銷，如表4.10所顯示的。因而錫銅合金不適用於高電流接觸，而應用於電信號傳輸上更好。錫銅對伸縮的抵抗力直到接近125度都有良好的特性。對更高溫度時的穩定性要求已促進了錫銅合金向凝結強化合金的轉化。

　　錫銅合金有良好的成型性。例如，因為對強度的冷處理要求更少，C521比C510能提供更好的成型性。因此，對於相同的強度C521的應力鬆弛阻抗力比C510更優。典型地，通過提高冷處理次數對C510的強化處理稍微減小了其伸縮抵力，但可通過減輕退火度得到提高。

與其說錫銅的應力腐蝕抵抗力受到影響不如說錫的抵抗力提高。在個觀點上，錫銅與鋅銅的區別在於鋅抵抗力的提高對  應力腐蝕敏感性提高有極深地影響。

4.3.4 鋁與矽銅

　　鋁銅包括含有矽、鐵、鈷、或其它附加於銅-鋁基材的元素的合金。用於電連接器上的矽銅合金，含有錫及其它附加於銅矽基材中的元素。該組合金中對電連接器有重要商業意義的例子如表4.11所示。

　　C638，含有鋁及更少量的鈷和矽，可以同時提供很高的強度及良好的成型性。精細散布的鈷矽化物，具有很小的粒子，包含在該合金中對其硬度有一定影響。該合金在拉力達到近700Mpa時仍保持了相對成型性。C638的應力鬆弛阻抗力比較適中，限制其利用的溫度為75度左右或更低。

　　C654是一種固溶且經過冷軋的合金，其能提供與C510在125度（最高的推荐應用溫度）時相同的應力鬆弛阻抗力。C654的成型性在690Mpa拉力作用下比C510更優，盡管其導電性大約只有後者的一半。與C510一樣，C654實質上不受應力腐蝕分裂的影響。

4.3.5錫與含鋅的銅鎳合金

　　大多數重要的用在電連接器上的銅-鎳固溶合金有C725，C762，C770。其中，C725因為中等強度條件下良好的成型性，適中溫度時良好的伸縮性，以及很好的腐蝕抵抗力而應用最多（表4.12）。

4.3.6凝結強化合金

　　溫度升高時，高強度、良好成型性、優良的應力鬆弛阻抗力、以及適中的導電性最有利的適中結合，從那些能夠通過熱處理得到強化的合金中實現。該組合金突出的特性在第4.2.2節中已經討論。

　　主要的凝結銅合金以鈹（與鈷或鎳結合）或鎳（與矽或錫結合）。這些合金與電連接器相關的可能用到的性能總結在表4.13中。

　　所有銅合金中能夠加熱處理到最高強度的含鈹合金是C172。鈷的加入是為了通過高溫溶合退火步驟中形成粒子周圍的鈷鈹化合物而控制微粒的大小。在其最高強度及應力鬆弛阻抗力時，鈷有很差的成型性。在需要最高性能的情況下，合金料帶（the alloy strip）在熱處理達到其最高強度前，首先從溶化處理或溶化處理狀態下的冷軋回火形成部件。經常，冷軋餘熱淬火料帶，用於表示強度與成型性之間的平衡。應力鬆弛阻抗力也考慮冷軋料帶的優點但是其不如高強度狀況下穩定。正如第4.2.2節中所提到的，因為需要移走熱處理過程中形成的鈹氧化物，也可能為避免變形而需要移走設備，故部件熱處理會產生附加的加工成本，在性能與最終的決定條件（final aged condition）總結在圖4.4中。

　　C175，C172中稀釋鈹的形式，在壓延回火（mill-hardened tempers）過程能提供更高的導電性，但缺少可成型性。為了降低金屬成本而實質上不影響金屬的性能，C175已被C1751所替代，而C1751中的鎳被鈷所替換。C175中鈹與鈷的容量進一步減少到一定程度已經被作為C1741介紹過，C1741只有在壓延條件下才是可用的。但是後者在強度輕微下降的同時，卻有更好的成型性。

　　加入銅鎳基材合金中的矽通鎳矽氧化物的凝線導致足夠硬度的合金。訪組中的合金[C7025（其也包含有鎂）及C7026]因為在適中導電性時有良好的強度/成型性而有貴金屬性。C7025對溫度升高有相適配的抵抗力和其它可與稀釋鈹銅相競爭的性能。C7025的應力腐蝕抵抗力與高抵抗力的磷銅合金。

　　加入銅-鎳基材中的錫，根據合金的成份和熱處理，能提供與C172幾乎相同的強度。該組中最強的含錫合金是C729。這些合金主要的強化處理是一種被稱為旋節分解（spinodal decomposition）的精煉凝結。該組合金中鎳與錫的含量範圍從最高的C729（15%的鎳及8%的錫）到C7265（8%的鎳及5%的錫）。更為稀釋的成份，如4%鎳-4%錫（C726），和9.5%鎳-2.3%相對的錫（C725）不能通過凝結熱處理得到強化。C729據報告在高溫工作環境中可提供非常好的應力鬆弛阻抗，例如暴露在200度環境中1000小時能保持90%的初始壓力。而C7625經過相同的條件強度有輕微降低，穩定性也有些下降，同時可保持80%的壓力。C7265與C729是該組中最常用的合金。但是，因為制程及金屬成份的成本，使得它們很成本很高；且后者因為較差的熱性能通常通過粉末壓合來加工。像鈹銅一樣，鎳-錫合金在冷軋回火（為了增加形成后的壽命）及壓延回火也是可用的。

4.4 相關成本因素

對選定的高容量（high-volume）的商業銅合金的定價如圖4.14所示，實際的價格根據銅與各自合金成份的價格、定購數量、容許的尺寸要求，以及金屬供應商的不同而有所不同。鋅銅是最不昂貴的，因為歷史上鋅的價值比銅低。更高的錫及鎳的價格反應到錫銅合金及含鎳銅合金的價格更高。含鈹成份，此處通過C172和C1751非獨有的成份來代表，歷史上已經成為銅合金中最昂貴的銅合金，而C172是最昂貴的銅合金。大多數很高的鎳錫合金、凝結硬化合金（precipitation-hardenable alloy）的定價都以C172為參照。

第五章　連接器用工程熱塑性材料

工程塑膠由於具有良好的韌性、尺寸穩定性、高阻抗、化學抗蝕力、短期熱穩定性及長期抗老化性之類的關鍵特性，因而逐漸成為許多連接器供應廠商的主要原材料。近年來，連接器的生產及開發技術趨勢极大的改變了市場。隨著高密封裝和微元化趨勢的流行，今天的連接器設計要求在更小的空間里實現更高的性能，因此表現出更薄的壁厚。塑膠原料應能滿足在更長的連接器本體上填充薄壁的設計，並能保持原有的性能，同時也滿足成本與生產工時的需求。  

人們現在正在研制流動性更好的塑膠原料來滿足薄壁的要求，並且允許更快的生產循環時間。今天，在製造週期和隨後的成型生產週期里，塑膠一直被暴露在高溫條件下。例如，在高密度的電路板上安裝更小的元件，已逐漸採用表面粘著技術，可用更低的價格提供一個更可靠的集成電路板。在連接器工業上這種明顯的趨勢要求連接器材料具有更好的高溫性能、更小空間里的耐壓性能，並且具有更低的成本。

由於連接技術不斷地更新，所以連接器設計也不斷地在變化。隨之爾來的是，對連接器用塑膠原料性能的要求也极大地變化著。事實上，對連接器用塑膠，連接器的設計人、製造商和最終用戶都正不斷提出新的特點與更高的特性要求，即在這些關鍵的地方同時具有良好的溫度及物理性能。

連接器本體具有下述的功能：

     *兩兩接觸的電絕緣性能。

     *提供一定的接觸的機械支持。

     *為可分離或永久式連接界面提供機械的/尺寸的穩定性

     *在任何使用環境下保持需求的性能

在合理成本潮流下，以上要求應當被滿足，其中每一個問題都將在本章中闡述。連接器製造廠商一直努力以最低廉的成本來提供最好性能的連接器，然而最終用戶卻想以最低的價格買到最好的連接器。

連接器本體的性能，很大程度上依賴於所使用的工程塑膠的物理特性。連接器本體必須具有良好的物理特性和製造性能。聚合物必須提供良好的韌性和尺寸穩定性，同時具有高阻抗和絕緣之類的電氣性能。聚合物也應當滿足最終使用的需求，例如：化學抗蝕力、阻燃性、短期熱穩定性、長期抗老化能力及其它成型性能。而且韌性和沖擊性能之類的性能在一定的環境里會減弱。這樣一些性能是塑膠所固有的，但常常加入添加劑以達到特別的性能水平。典型添加劑包括滑石和玻璃纖維，它們能改善塑膠的物理特性，並能有助於阻燃（參見5.3.1部分）。玻璃纖維添加劑能改善模具薄壁部分的填充能力。云母和滑石提供改進尺寸上的穩定性的功效，尤其在半晶體聚合物，為增加流動與潤滑，還可加入其它一些添加劑。

對連接器原料來說，化學抗蝕力和熱穩定性是關鍵的性能。在過去几年里，這是千真萬確的。現在，當成型過程和最終使用時，它要達到這樣的水平，即連接器原料應適應不斷被暴露在各種化學環境中的工作要求。

本章的目的是在工程師和設計人員在做原料選擇時，提供使用在電子行業中的絕緣原料的信息，協助它們作出決定。這些信息，在連接器行業顯得尤為重要，因為正在使用塑膠原料的電機和電子工程師，可能需要一些基本的知識關於有實用性的原料、原料特性、適用範圍、強度和弱點，及其各部分之間的相互依存關係。

由於自身的性能特點，人們長期以來一直在各類連接器設計時採用這些工程塑膠。最近的原料簡介更進一步地增加了使用性設計的選擇權。本章也注意到通用性設計的考慮，所以包括了一個附加的破壞性能討論。

自從各種形狀、尺寸、顏色及功用的連接器問世以來，對於零部件原料的要求可能是具有挑戰性的。在決定做連接器本體用的原料上，連接器的最終使用及其在生產階段經歷的成型過程中扮演了重要的角色。

對於製造係統，隨著在更小空間里負載電流要求的與日俱增，在電子行業里的一個主要發展趨勢是不斷朝微元化和更好更多的功能方向發展。不久前，典型的端子觸點間的端子容室在100～156mils之間，而今天，它通常只有50mils，隨之而來的是圍欄厚度減到5～10mils，所以連接器本體的薄壁部分成了關鍵點。對於每一個薄壁圍欄，具有良好的尺寸穩定性，同時保持所需絕緣性的特殊原料很重要。它還要以更快的成型時間去填充模腔各部分，以提高產能。

決定聚合物的另一重要因素是聚合物的分子量（MW）。聚合物由何種方法製成及保管決定了分子量。分子量能影響粘度、物理性能和熱容量性能。分子量的分配，在聚合物內部，決定內鏈的長度範圍，也隨製程的變化，對以上性能產生明顯的影響。

聚合物內鏈分子量決定粘度或原料的流動性。因為分子量影響了內鏈運動和內網，這能极大的改變粘度或原料的流動性。聚合物內鏈必須具有一特定的長度，才能形成內網，從而限制內鏈的相互移動。因此，同樣基體的高分子聚合物較低分子聚合物具有更低的流動性和更高的粘度。

物理性能如延展長度也受分子量的影響。對於低分子聚合物，延展壓制的可能性為零。但隨著分子量的增加，延展長度將會增加，且到一定水平會斷裂，具有一個近似的最大延伸長度。正如在晶體聚合物部分的討論，形成晶體物質的必要條件是一種聚合物必須達到一特定分子量或內鏈長度，從而使內鏈排成直線。依靠化學藥品，高分子聚合物能比低分子聚合物提供更多的機會。晶體延遲了性能的改善，例如充模能力和化學抗蝕力。一般說來，隨著分子量的增加，機械強度和熔融粘度性能會增加，但流動性和製程能力下降；同時隨分子量分配範圍變大，流動充模能力和熔化強度增加；隨著分子量分配範圍變小，抗沖擊強度增加，但warpage流動性和製程能力下降。

總之，分子量的增加會導致機械性能的增強。是以，大多數聚合物的分子量介於一萬到一百萬之間。除非至少可獲得分子量為一萬的聚合物，否則強度性能得不到改善。此外，分子量也能影響製程流動性和聚合物別的一些物理性能，如抗沖擊強度和延展長度。

5.1 聚合物結構

對於理解關於一特定連接器所使用的塑膠而作出的恰當的選擇，了解聚合物的結構常識是必要的。從一個微觀觀點來考慮，聚合物可畫分為兩類：無定型聚合物和晶質聚合物。

5．1．1非晶體聚合物

非晶體聚合物由聚合物內鏈組成，這些內鏈以一個隨機無序的形式排列。在這里把它們看作為一碗意大利麵條，如圖1所示。相對晶體聚合物，非晶體聚合物被認為有更寬的熔解範圍、更低的收縮率、更低的warpage和更低的流動性。它們具有良好的延展性、抗沖擊強度及尺寸穩定性。這些原料包括了非晶體聚合物範圍，且它們所擁有的大量物理和機械性能，具有很強的溫度依賴性。低溫時，非晶體聚合物是玻璃質的，堅硬但易碎。隨著溫度的增加，非晶體聚合物超過了自身玻璃質轉換溫度Tg，加熱到該溫度時，聚合物結構轉向橡膠質(在冷卻時，轉化為玻璃質)。在Tg溫度上，聚合物將失去明顯的自身所有的機械性能，如圖5.2所示，in modulus shown 這些性能會急劇下降。因此，當以非晶體聚合物原料來設計連接器時，考慮大致的使用溫度是首要的。關於非晶體聚合物有聚苯乙烯和聚碳酸酯等。

5.1.2. 晶體聚合物

通常所說的晶體聚合物指半晶體聚合物並包括晶體、非晶體聚合物範疇，而非晶體聚合物只包括非晶體聚合物。晶體聚合物被推斷以圖5.3所示結構有序的排列。隨著早期的推斷。晶體聚合物被想象成一碗混合了煮熟的和直硬未熟的意大利面條。這種有序通常是由于聚合物內鏈有這樣一個結構，可讓它們排成直線並聚集形成晶體範圍。直線型態由這樣的幾何特征而來，並被在聚合物內鏈間形成的低能量化合物所保持這些低能量化合物如氫合物等。中間鏈的結合依靠內鏈長(即分子量)，這就是為什麼分子量是如此重要的塑膠原料參數的原因。塑膠原料里晶體的百分比由聚合物類型(化學組成)所決定，它也影響著內鏈主鏈的柔韌性，和能促進結晶的可能的內鏈反應。例如：尼龍內鏈有能力形成氫合物，因此在聚合物內促進了結晶。聚酯也能形成氫合物，並影響構成聚合物內鏈的化學單元長度，因此促進了結晶。

晶體聚合物sharper 熔點和玻璃質轉化溫度，比起無定型聚合物具有更高的係數和抗拉強度。盡管它們的抗沖擊性能低於那些非晶體聚合物，但通常認為晶體聚合物具有良好的化學抗蝕力。

在熔融狀態，晶體聚合物也是非晶體的；也就是說，聚合物內鏈以隨機的方向排列。但隨著熔液的冷卻，內鏈開始直線排列並形成晶體聚合物。直線型式可促使先前提到的係數和化學抗蝕力的加強。

通常，原料晶體的性質能對連接器元件的制程和物理性能施加一個可預測的影響。隨著成型過程所使用的成型方法及添加進基體塑膠的化合物的變化，晶體也隨之變化。隨著晶體百分比的增加，機械性能也增強。圖5.4表示了一典型的應力－應變曲線。當晶體增加時，如前敘，隨晶體百分比的增長，屈服點和主要的強度會提高。被作為一種衡量硬度的尺度的彈性的模量(應力對應應的比率)也在增加，但晶體的增長通常會造成原料韌性的下降。而內鏈的直線排列和前述的中間鏈聚合，引起了機械性能的提高。在聚合物的機械性能上，晶體的增長具有明顯的影響。晶體聚合物主要有乙烯聚合物的氯化物（PVC），尼龍和聚酯，例如：聚乙稀、對苯二酸鹽（PET）和聚丁烯（PBF）。 

．工程塑膠原料

現在這將有助於詳細調查一些使用頻率很高的連接器原料。這些原料將根據它們是否屬於晶體或非晶體聚合物而劃分為兩大類。

5.2.1　非晶體聚合物

丙烯晴－丁二烯－苯乙烯（ABS）　ABS由一係列的有時被用於低要求連接器運用場合的配方構成。盡管ABS具有良好的沖擊性能，并且相對比較便宜，但它對有機溶劑幾乎沒有抵抗力，一經暴露在這類環境下，它就會變脆。ABS也不具有長期的熱穩定性。ABS也不具有長期在高溫環境中的使用性能，因此不能適用於一些高要求的連接器運用場合。ABS還具有良好的機械性能、熱和化學的抵抗力、良好的耐久性、高沖擊強度及磨損抵抗力。

聚碳酸鹽酯（PC）　PC是具有良好尺寸穩定性和沖擊強度的非晶體聚合物。當運用上需要時，它的透明也很有價值。PC 也具有相對較高的加熱性能和1500度的熱變形的溫度。但它不具備良好的化學抗蝕力，而且在有機溶劑中可能會被裂解。它具有良好的電性能，本質上是自衰的。PC和其它合成橡膠、熱塑性聚乙烯、ABS磺化聚合物混合的特性是可利用的，並可提供改善的低溫韌性和製程性能。

Polyphenylene（PPO）　由於處理和成型簡單聚合物的困難，PPO典型被用在改變混合形式上。連接器場合上大部分的混合是隨高沖擊強度的聚苯乙烯（HIPS）或尼龍而變化，並是玻璃質增強的。這些混合能阻燃以達到UL 94-VO易燃品表單要求。PPO和它的混合物具有良好的溫度係數和一定的化學抗蝕力（它對酸性和堿性環境具有良好的抵抗力，但會溶解一些芳香醇和氯化溶劑）。在一個大範圍的濕度和溫度條件下，該等聚合物具有低的吸水率和良好的電氣性能。然而，PPO不具有類似聚乙烯的良好的流動性，故無法使用在薄壁連接器上。

聚眠甲烷　市場上有許多價格與性能差異很大的聚眠甲烷。這些原料具有良好的加熱性能尺寸穩定性能，但是對有機溶劑幾乎沒有抵抗力，尤其是對氯化的碳化氫。它們具有高的受熱斜向溫度、良好的尺寸穩定性、良好的爬行阻抗及好的電性連接性能。聚眠甲烷本身具有良好的阻燃性，並具有相對較高的受熱性能。

Polyetherimide(PEI)　PEI是一種高溫非晶體原料。它通常用在需要較高受熱阻抗或尺寸穩定性條件下。它具有符合UL94-VO的阻燃係數。PEI是一種高穩定的聚合物，它可以被研磨及通過復合途徑使用。它具有良好的UV和γ射線阻抗。在沸水中浸泡10，000小時后它還能保持85%的拉伸強度。在不同溫度、濕度、頻率條件下，PEI具有良好的電氣性能。它的散布對於微波是透明的。對於波峰焊和氣焊製程的PEI的阻抗也是通用的，這使它特別在電性運用上引人注意。PEI主要的不利因素在於它的成本很高、製程溫度高、流動性差。

Polyether ketone(PEK)　PEK是一種相當貴的原料，它被用於高溫場合。該原料由於固有的磨損和疲勞阻抗而具有良好的化學性能和抗腐蝕性能。只有濃縮無水的或是強酸才能對它起作用。酮唯一可溶於酸。它們對於熱水分解具有很高的抵抗力。酮有時也會發生翹曲，這可以被鑄造克服。酮類聚合物具有高達3000度的熔點。它們具有低煙率並在整潔環境裡通過了UL的94-VO的測試。酮類聚合物是具有一定韌性、強度、硬度和高沖擊強度和負載承受能力的。酮類聚合物會受UV的影響，但在一個大的溫度範圍裡對α、β、γ射線具有高的抵抗力。

5.2.2　晶體聚合物

Polyoxymethylenes（縮醛）　縮醛是具有良好流動性和類似對有機溶劑的化學抵抗力一樣好的製程性能的半晶體聚合物，但它們當暴露於強酸作用下時，會發生退化。縮醛固有的缺點是不具有阻燃性，因此它們在使用上受到限製。縮醛具有在長時期大範圍裡保持良好的機械、化學、電子性能結合的能力。它們對承受負載和疲勞具有良好的抵抗力。對於在2000度高溫下使用，也具有較高的熱抵抗力，並具有很好的水穩定性。這些塑膠是堅硬的、牢固的和具有良好韌性的。

聚乙烯　在電子工業領域，有許多原料是聚合物內鏈的酯結合，因此都屬於工程塑膠的聚乙烯家族。許多標準連接器由聚乙烯組成是因為它能提供良好的流動性、很光滑並具有良好的溶解抵抗力。這些原料主要是PBT、PET和PCT。選擇這些玻璃增強劑的性能被納歸納在表5.1中。簡單的樹脂不同於化學合成的，故也由於該不同而造成具有不同的性能 ，如表5.2中所示。基於用來製造不同聚合物的單體，聚合物的內鏈會被改變。結構的不同會影響到化學性能、熔點(Tm)、晶體百分比和其它一些性能。晶體的變化會在物理性能、化學抵抗力和其它一些原料的重要性能上產生很大的影響。聚乙烯的半晶體原料，很容易在成型時收縮。

PBT具有良好的化學阻抗性能，此外還具有不受濕度影響的電氣性能。它也不受水、弱酸及其通用有機溶劑的影響。

PET具有高的強度、韌性、尺寸穩定性、化學和熱抵抗力及其一些其它的性能。它PBT對水和製程中的水的百分比更敏感，這會導致成型聚合物的退化。不填充PET的成型收縮率是2%，但當加入30%的纖維添加劑後，收縮率只有0.1%到0.3%。

PCT具有285度的熔點，相對PBT的225度和PET的255度，更高的溫度阻抗使它更易於在表面安裝電子元件。PCT主要的缺點是它的製程窗口由於很小的熔解和退化溫度跨距而很狹窄。但它也有很好的物理、化學、電子、機械和熱性能。

PBT比PET和PCT更牢固。當SMT不成為問題時，良好的流動性和牢固的晶體使PBT聚合物用在很多連接器上。這實質上是允許更快的循環時間，因為它能更快地填充模具並成型。PET是低晶體並因此導致更長的成型時間，這會延長循環周期。PCT具有和PBT大致相當的晶體百分比，但更慢的晶體化過程而導致更慢的循環周期。PET和PCT型由於它們的高熔點而需要更高的成型溫度。這類聚乙烯通常被用作絕緣原料，而且受所需的化學抗蝕力、溫度決定，並且PBT在使用中佔很大比重。

Polyphenylene sulfide（PPS）　PPS是具有良好流動性和受熱能力的半晶體聚合物。它具有良好的流動製程性能並能填充複雜連接器設計的薄壁部分。大部分的PPS原料和混合物是下班露出增強劑，這是因為它的簡單構造。它在成型中不易碎並不會閃光。PPS通常用在需要高溫的PCT上。PPS固有阻燃性，但它的價格限製了它的使用。PPS被UL 94-VO評定過。當玻璃纖維增強後，PPS可持續使用在2000度的的溫度等級裡。PPS在大的溫度和濕度範圍裡也具有很好的電氣性能。

Polyamide（PA）　PA最常見的是尼龍，可以有很多種。依靠所使用的單體，原料在性能和成本上有很大的變化。表5.3和表5.4中分別提出了選擇簡單和填充尼龍樹脂的性能 。大部分尼龍是半晶體聚合物。尼龍能夠隨使用的添加劑和混合物的不同而發生很大的原料性能變化。尼龍的流動性也會發生變化，因此能被用在各種需要高強度和係數的場合。但是通常尼龍需要添加添加劑和強度添加劑。尼龍具有良好的韌性和水解穩定性。它們具有長期老化性能但不具有阻燃性。使用尼龍的缺點是收濕性；它所吸收的濕氣會隨溫度和濕度的變化而發生變化，因而會導致聚合物矩陣的延伸。但通過烘干，條件是可逆的。由於這個原因，一些PA不適合應用於要求三維尺寸穩定性的場合中。吸濕性也影響了一些性能，例如它增加了翹曲和沖擊強度但減少了拉伸強度。聚合物的電氣性能對於濕氣和增加了水分後的變質很敏感。尼龍對於烴和芳香族化合物具有很強的化學抵抗力，但受強酸、堿、酚的影響。在一定的持續時間和暴露強度下，提高溫度和超聲波照射(UV)都將使尼龍退化。

液晶聚合物（LCP）  液晶聚合物包括大量的樹脂，樹脂在熔解和固體時其結構均顯示出了很高的硬度，在薄的部分也是這樣。它們同樣顯示了較高的溫度穩定性和化學抵抗性能。用於連接器工業中的液晶聚合物通常為含酯類酸的聚脂類液晶聚合物材料。液晶聚合物具有很好的機械和熱性能同時還具有較好的流動性。因此它們用於薄壁應用中。如果連接器上端子之間的距離很小時就應該考慮使用LCP，因為LCP的流動性比PPS的要好四至五倍。在流動方向上的塑造收縮只有千分之一英吋的大小。LCP可歸為改善的熱塑性塑料一類，在表面安裝的應用中其比PBT在製造薄壁型產品的時候具有更好的性能。

液晶聚合物受基於外來芳香族化合物而導致較高的各向異性的形態的影響。這種化學作用的影響將使材料的價格的升高。為降低成本LCP常與其它一些的低成本的材料相混合使用，如人造樹脂、添加劑以及玻璃纖維。LCP與PPS相混合使用的第一個商業目的是可降低LCP的成本以及減少PPS的閃光。液晶聚合物的性質特徵為低溶解粘性，良好的拉伸性，具有壓縮力以及彎曲係數值；以及非常好的化學，輻射，及熱穩定性。圖表5.5中顯示了LCP的選擇性有代表的性能參數值。

如圖5.6所示，基於其化學性LCP可分為三類。與熔解溫度特性相應的是其最顯著的特徵是HDT。LCP極具竟爭力的一個優點是其快速出模和製造薄壁產品而不留毛邊的性質。此類材料具有經受高溫處理和長時間處於升溫的狀態。

在LCP材料中也存在如下的缺點，它們的各向異性將導致出現橫向應力，並且將導致部分的warpage 。這些問題可通過增加添加劑來改善。結晶同樣會出現在此類材料中，這樣將會減少前端流動熔合的時間。這樣將導致焊接線強度較差，但是這種問題也可通過控製成型過程和加工工具設計來加以控製。由於未充滿的LCP具有各向異性，為了加強其在電子方面的應用，通常在其中加入30%到50%的玻璃纖維。高熔解溫度在300℃範圍內，高係數會對波動，蒸汽階段以及紅外線焊接條件產生影響。LCPs有UL 94-VO的阻燃率，以及在燃燒時不會產生煙霧。其對酸的以及稀釋堿，有機溶劑化學抵抗力非常好。強堿如氫氧化鈉和胺將會使LCPs到一個加高的溫度。

LCPs在連接器市場上能有一席之地是因為有兩個重要的因素：設計上的小型化和在自動生產過程中的高生產率。近年來的趨勢是具有更高生產率的表面粘著技術，其經濟性允許使用高成本的LCP材料。

5.2.3 熱固性聚合物

為了更完整的敘述接下來便是熱固性聚合物。熱固性聚合物從熔解狀態到冷卻狀態因此不能被軟化或再加熱以用於其它目的。因此它們只能提供較為有限的機會在再研磨用的過程中。在化學上熱固性樹脂在處理中要經歷一個交叉連接的反應過程，以產生一個固定的分子間的網絡結構。熱固性材料在交叉連接的時通常是收縮的，但是這種收縮是能通過附加如添加劑和加強光纖進行控製。在熱固性狀態下的這些材料的變化可以在室溫和高溫下完成，而樹脂則能在加熱下進行得更為徹底。總的來說熱固性材料比熱塑性材料具有更好的溫度性能。

5.3  添加與添加劑

在連接器領域應用的大多數樹脂可以通過添加劑的方式來提高其性能。這些添加劑的範圍從阻燃劑到惰性添加劑以及加強料。很多用作絕緣的材料可通過增強處理和添加劑的方式來提高其性能。增強處理通常用來提高材料的強度、硬度、尺寸穩定性以及熱和機械性能。其通常能減小熱膨脹係數(CTE) 並且在薄片結構中它們能減小捲曲和收縮。添加劑通常能增強硬度、尺寸穩定性、和熱機械性能。它們有時會影響強度和工作性能。添加劑通常便宜且能降低材料的成本。在很多情況下增強劑和添加劑聯合與玻璃纖維使用以平衡成本與性能之間的關係。這裡有一些因素能控製附加添加劑的使用：

載荷---附加添加劑的數量將決定一定載荷下硬度、強度以及熱性能的增加。一般情況下50%的載荷常常被用到。

比率---在很多情況下增強效率要由玻璃纖維和添加劑在比率方面(長度/直徑比率)來決定。很多添加劑是易碎且在材料的鑄造和成型時易碎裂和退化。具有低比率的材料經不起太大的損壞。

界面連接—很多礦物質和玻璃基於其化學組成而具有高表面積，其組成佔有很高的表面能量。Coupling agent或sizing可用於量度材料增強樹脂矩陣之間的聯接。通常的coupling agent包括silanes，石蠟，titinates和胺。

混合處理----添加劑與聚合物矩陣相聯接的方法將會在其性質上產生想不到的效果。

用得最廣泛的增強和添加劑是阻燃劑、玻璃光學纖維、雲母片、wallastonite以及滑石粉。

5.3.1 阻燃劑（FRs）

　　很多電子應用上要用到阻燃樹脂。最明顯的原因是防止可燃材料的點燃。有幾種可燃途徑必須注意到，如稀釋物(添加劑)，保護層的成型(磷化物)，以及冷卻物(鋁及從水中產生的氫氧化物)。這種反應通常發生在固體或氣體階段。阻燃劑在使用了鹵素元素之後將會妨礙原子團之間的反應。經過交叉連接反應它們會在材料表面形成一個燒焦或屏障層，這些是可通過磷化物的介入而產生的。

阻燃劑能作為反應劑和填加劑。作為反應劑的時候它們自己通常要進入聚合物的矩陣結構之中，而作為填加劑時它們通常只會物理上與聚合物矩陣結構相配合作用。FRs在工程熱塑膠材料上的應用一般是作為填加劑。其中一些在混合物中起配合劑的作用。這種阻燃劑的選擇是可擴展的，並且其總類和影響對絕緣材料的作用將會被提到。

在工程塑料領域裡應用的填充阻燃劑有最基本的兩類：含鹵素和不含鹵素的FRs。有一些材料如PEI和PPS它們自己分子結構內部就有阻燃劑，因此也就不需要附加的阻燃劑。含鹵素的阻燃劑其效率增加的順序為：氟<氯<溴<碘。含鹵素的FRs通常使用溴作為鹵源而有時也使用氯，這是由於鹵素與碳原子相結合時其釋放需要有一定的能量從而能提供給FR。FR的化學活性已經大量的研究了但仍然存在爭議。增加鹵素通常會提高材料的成本同時也使此混合物的密度增加。含溴和含氯的FRs被束於脂肪類和芳香族的聚合物矩陣之中。脂肪類結合的鹵素容易被破壞，所以它們比芳香族結合的鹵素的溫度抵抗性要差。芳香族結合的鹵素在工程塑料中應用得很普遍，例如：tetrabromobisphenol A， 乙烯(tetrabromo-phalimide)，以及poly(dibro-mophenylene)。這些材料的成分從4%到15%不等，這要依FR中的溴的含量以及能提供給阻燃劑的矩陣而定。由於分子和聚合物的不同這些材料所帶有鹵素將會影響絕緣材料的性質。例如很多聚合含鹵分子用於工程塑料之中。

大部分情況下要用到銻基化合物。這樣可以提高鹵素阻燃的效率。配合氧化劑自己並沒有FR的能力，然而它在含鹵化合物中具有很強的配合作用並且還可與廣泛的與鹵素相配合使用。此類反應通常發生在氣體狀態下。

非鹵素的阻燃劑同樣也在研究之中，但由於其在應用中對一些材料的基本聚合物矩陣將產生損壞性的影響，所以其應用受到了限制。例如磷基化合物用於尼龍材料中而不能用於聚脂之中是因為其與聚脂微晶不相容。磷化物所起的作用通常是在濃縮階段。其化學組成通常為高含氧成分並用於聚脂中。磷類主要包括有亞磷酸鹽、亞磷酸、磷化物、白磷、紅磷以及磷酸鹽。這些化合物可用於一些明顯的材料並且通常作為燒焦層組分和屏障層組分。作用於表面的FRs可對表面的性能產生一定影響。例如形成燒焦層的材料將影響聚合物表面抵抗力，它們同樣會妨礙鑄造柱形表面過程。 

工程塑料中很少有適合FRs的礦物質，因為大多數礦物質的分解溫度比工程塑料形成溫度還要低。含有礦物質的材料，如氫氧化鎂、碳酸鎂、氫氧化鋁及含硼的化合物已經被應用。它們加熱時通常要分解，但不象其它物質那樣蒸發，而是釋放出不燃燒的氣體，如水和一氧化碳等稀釋燃料的混合氣體。同時它們也把聚合物和氧隔離，以免其被氧化。但是這些混合物因為需要高度濃縮以滿足FR的需要而使其在工程材料中的應用受到限制。由於材料中包括了水和更低的物理特性，尤其是流動性和相互沖擊性。許多情況下，這些材料也提供了稀釋的作用，因此那些不燃燒的其它材料對FR的形成具有積極的效果。聚合物中含有許多其它物質，如矽，其表現出有限的分解延緩應用性，但是它們必須考慮成本和性能。

延緩分解性的要求一般是用(Underwriters)實驗來確定的，許多確認延緩分解性的不同實驗被采用，如UL94，DIN4102及NEP92-507等。獲得UL證書需經過嚴格的測試。

當考察FR添加物和分解延緩材料時，應用的特殊性、全部材料的絕緣性能及材料的成本/性能比值都必須考慮。又，聚合物的許多性能可通過向聚合物矩陣添加FRs添加劑而得以改變，這一點也是需要考慮的。

5.3.2強化添加劑

玻璃纖維  玻璃纖維是廣泛用作強化劑中的一種。除了強化作用外， 玻璃纖維還可增加分解延緩性和使材料更耐化學和熱作用。 玻璃纖維添加劑可大提高材料的物理性能。如，向PBT中加入玻璃纖維添加劑可使其彎曲係數增加250%，拉伸係數增加100%。在其它樹脂中可看到相似的性能的提高。 玻璃纖維添加物一般要降低樹脂的流動性並可能引起一些表面缺點。 玻璃纖維對選定的聚合物性能的強化作用被列於表5.7和5.8中。

雲母  雲母也是一種用作提高熱傳導性，溫度阻值及電介質絕緣性能的同時降低熱澎脹的天然材料。它可作為添加劑或強化劑並常與玻璃纖維合用，表5.9說明了這一點。

Wallastonite.  Wallastonite也是一種天然的針狀材料。它常與玻璃纖維合用並表現出很好的電絕緣性能和很好的熱變形特性，表5.10對此進行了說明。

5.4   成型和應用

聚合物形成連接器絕緣本體的過程(通常是注塑成型)及關於成型過程部分設計的作用對連接器絕緣本體性能有很大的影響。連接器將被使用的應用也將影響聚合物選擇的標準。關於此以後將繼續討論。

5.4.1  成型過程

某種連接器應用的特殊材料的選擇可能受許多因素的影響。有時一種材料根據其物理特性來選擇。在其它情況下，連接器的使用環境也可能影響樹脂的，這一點也需考慮，並且熱和化學相容性必須作為主要因素加以考慮。作為首要考慮的因素，合適的熔化和成型溫度必須考慮材料的數據表。高的成型溫度一般導致低的成型壓力，高的成型完整性及易流入較窄部位。為了獲得統一的成型高溫，建議采用噴吐機或熱端子以從核心向外散熱。溫度平衡依賴以下三個因素：模具設計，熔化濕度及循環次數。冷模會引起過度的彎曲和收縮。

注塑壓力值是成型過程的另一重要因素。較窄的部分成型尤其困難。它們需要大量的排氣孔，熱模及額外快速填充。注塑成型壓力值依賴於局部幾何形狀、模型設計、成型材料及熔化溫度。總的來說，連接器最常用的材料趁向於具有低粘性和易流動性。在連接器絕緣本體注塑成型時，使用低壓注射是很重要的，這樣可降低沖擊，成型壓力及模具小核心的疲勞度。如果采用過高的注塑壓力，由於模具鋼的移位或其它對模具的損害都可能引起注件尺寸的改變。

這樣的影響在連接器的局部角落顯得尤其突出，因為注塑件的外部比其內部冷卻速度要快得多。降低角落處的彎曲程度的關鍵是使連接器兩邊的冷卻率相等。達到這一點的典型做法是使角落處的內部比外部溫度低。另一種做法是使角落處的內部升溫。使核心部比外部洞穴降低到更低溫度值的能力在許多連接器工具中是很重要的。

5.4.2　應用

表面粘結技術(SMT)將作為一個聚合物/應用干擾的例子。SMT允許向電路板密集地安裝元件。SMT的主要優點是在裝配時可降低成本，減小尺寸及減輕重量。許多電路板的製造商都編入采用各種SMT技術的製造設計技術(DFM)。製造商發現up-front、受控的放置規劃、焊劑、修理維護及測試可顯著地提高生產率和可靠性。考慮的重要設計是使用的SMT類型，電路板條件及可靠性和成本因素。

現在有兩種基本的用於SMT的接觸方式：波峰焊和流動焊。在波峰焊中，裝置和接觸面直接暴露於熔化的錫合金。流動焊依賴於傳遞的熱以熔化置放的焊劑合金(主要用作錫/導引/熔化粘著更重要的安置裝置)。波峰焊常用於穿孔插接(PTH)方式和在焊接過程中被收容於基樹脂的低輪廓裝置。流動焊則僅用作粘結以保持該裝置。

流動焊是用於SMT裝配方式，尤其是需要使用更新的、更好的樹脂混合物的先進的焊接方法。當幾種方法存在以有效地流動焊接粘結時，常采用紅外線來加熱。激光、熱氣、熱棒及局部集中的紅外線在流動焊接中也常用的。

波峰焊或流動焊是一種適合使用SMT技術的製造的共同方法。波峰焊是一個過程，在該過程中，許多連接部與流動的焊劑波接觸一小段時間，同時連接部被焊接。

除了焊接以外，粘劑和樹脂也可以用於向組裝表面安裝組成物。粘著技術可用手操作機械的注射器而達成，或使用高速輸出、可編程的機械分配手在需要組裝其它元件的位置點上粘劑。

上面的關鍵點是SMT向電路板和連接器環境傳熱和化學物質的過程。注意SMT應用的材料挑選以材料在焊接端子的SMT過程中暴露的時間和溫度為基礎是相當重要的。這些絕緣材料在490華氏度(255攝氏度)的高溫下可以停留30秒到幾分鐘。

5.5  小結

電連接器材料可能暴露在熱及化學環境中。此時，材料的選擇更加嚴格。故設計者必須確定電連接器絕緣本體的材料選擇在經過長時間的不良環境以後仍能保持其性能。

選擇電連接器絕緣本體材料還有其它長期因素需要設計者加以考慮。其中之一考慮是如果部件在板清洗過程中暴露於碳化氫時對抗化學腐蝕力的要求。例如，postassembly 環境也是很重要的。例如，長期熱及化學抵抗力在覆蓋應用時（under--the--hood）應加以考慮。

高密度及小型化在電連接器市場上將會繼續發展。可以預測未來之設計將要求在更少的空間有更高的性能。因而對設計者而言，在材料領域的變及表面粘接技術上處於變化的前列更為重要。

表5.11列舉了不同材料的優點及缺點。同時表5.12包含了與電連接器應用最相關的選擇的工程聚合物的一些聚合物性能總結。

　

表5.11電連接器應用所選擇的工程聚合物的優點與缺點

材料	優點		缺點
ABS	良好的抗沖擊性能，價格低廉	較差的有機溶液抵抗力，缺少長期抗熱老化性，對大部分的連接器應用不適合
ACETAL	良好的流動性及化學抵抗力、成本低廉	在酸性或堿性環境中易退化，且阻燃性差
PBT	良好流動及光滑，良好的電氣性能及化學抵抗力，良好的熱性能	高收縮性，在負載下易發熱
PET	與PBT相比減小了翹曲性，比PBT更耐高熱	流動性比PBT 差，對空氣濕   度敏感（比PBT的結晶性差）
PCT	最高的熱聚合物，良好的流動性及化學抵抗力	易碎，制程窗口窄
PC	天然阻燃性，良好抗沖擊強度，尺寸穩定性，透明性，熱性能	化學抵抗力差，壓力下易分裂，流動性差
PPO blends	良好熱性能，天然阻燃性，具有一定化學抵抗力	流動性差，可著色性差
Nylons	良好流動性，抗熱性，抗沖擊性	吸濕性差，尺寸穩定性差
PPS	良好流動性，抗熱性，化學抵抗力	易碎，反光，著色性差
PEX	非常好的熱性能，良好的抗環境疲勞性，天然阻燃性	結晶慢，成本高
PEI	熱性能好，天然阻燃性好	成本高
LCP	非常好流動性，熱性能好，天然阻燃性好，電氣性能好	編織線強度，著色性，成本，機械性能與流動性相對perpendicular

附：PEI=polyetherimide；PES=polyethersulfone；PC=polycarbonate；PBT=polybutylene terephthalate；PCT=polycyclohexylene terephthalate；PPS=polyphenylene sulfide；PA=polyamide；LCP=liquid crystal polymer；其中：PC不含有玻璃，PPS含有40%玻璃，其它材料不含玻璃。

第六章   可分離式連接器

      

在第一章中，就連接器曾給出如下的功能性定義：電子連接器是指一種能夠為電子系統兩個子系統之間提供可分離式接觸界面的電子裝置。

可分離式接觸界面本身具有一些要求，其中包括耐久性，結合力及機械穩定性。耐久性指連接器可正常工作的結合周期。一個連接器所需要的結合周期取決於其具體應用。當製造工藝比耐久性重要時，這個數值可以較低，大約為10。至於便攜式電腦(如辦公室或家庭用的筆記本電腦)時，就需要數千周期。耐久性主要涉及接觸面涂層消耗的可能性，其導致第三章中提到的腐蝕保護及界面最佳化的喪失。

結合力（連結連接器之插頭與插座所需的力）對於高級端子計數連接器尤為重要，這種連接器由於其結合力較大導致須以工具輔助裝設否則將被破壞。機械穩定性指連接器承受應用載荷如震動、沖擊及熱循環的能力，其可能導致接觸面干擾。這種干擾也可能產生如第三章所述的電鍍層脫落。

影響這些操作性能的主要的連接器設計及物料因素是接觸面涂層、正常接觸力及接觸面形狀。本書第二章、第三章曾就接觸面涂層對摩擦、損耗及受此影響的耐久性、結合力的重要性和影響進行說明。

本章將討論正常接觸力和幾何形狀對操作性能的影響，其中正常接觸力是重點，尤其是它的產生、大小及其穩定性的維持。

6.1  引言

為方便起見，將前述連接器橫載面圖1.1再現為圖6.1。在連接器中各種各樣的可分離的接觸面接觸之設計拓展了在不同環境的要求下應用的連接器的範圍。可分離式連接器一般具有兩部分。大體上，連接器的一端(通常插座)是彈性部分，而另一端(插頭)之固體接觸部為post，pins，或者PWB。分類上，這些裝置可歸入post/插座，pin/插座，及卡邊連接器。

  

6.1.1 posts，pins及PWBs

圖6.2是典型的插頭接觸端之實例。 PWB(圖6.2.a)就是三級和一些四級連接器裝置的一部分。posts和pins的主要差別在它們的幾何形不同。posts為方形或其他規則形，而pins則為圓形。

圖6.2.b所示的一側邊為0.025 in(0.635mm)的25 針方形post是目前最常見的幾何形狀，盡管小一點的post (如15針方形和0.5mm)的應用越來越多。貴重金屬涂層應用於高操作性能之領域，而錫涂層則用於電子和商業產品上。在3、4級產品中，post依據工作環境不同可以直接插入板上或收容於連接器端部，其可以被遮敝，也可以不遮蔽。

Pins在四級產品中應用不多，其主要應用在於五級與六級產品中。根據不同情況其可應於很多尺寸。常用的兩種型號為如圖6.2c所示的加工螺桿及圖6.2d所示的層疊式。二者主要區別在於加工螺桿的pin上沒有接口縫，且不易於控製其尺寸。因此，其通常被認為具有優良的性能而同金接觸涂層一起應用於軍事和高性能系統。層疊式則用於電子及商業領域並可應用於貴重金屬及錫涂層上。

6.1.2 母端子

大多數母端子都設計成懸臂梁形狀，當然也可以看到混合接縫.一些最常見的形狀如圖6.3至6.5所示.

最簡單的母端子設計成懸臂梁，如具有卡片狀邊緣的端子(圖6.3a)，盡管有一部分端子呈現出如圖6.3b所示的混合懸臂設計一樣的複合形狀.

對於插桿\插座系統，有多種的端子接縫在應用，如圖6.4a到6.4e所示的敞開或盒子形狀.除了圖6.4e外，在這些例子中，兩個懸臂梁使端子正對插桿的一面.敞開的雙端子由於價格低廉而在商業利用上壓製了盒子狀端子.有四種形狀的雙端子比較常見；通俗地講，他們指的是﹕秸叉(圖6.4a)，扭桿(圖6.4b)，單懸臂(圖6.4c)和卷盒(圖6.4d)。他們在實際製造和懸臂梁設計時有很大的不同，這些都影響到製造成本及工作性能.如圖6.4a的平壓端子是基本的設計。此外成形操作還帶來一些附加的特徵，圖6.4d所示的設計對插桿的不平直度作了一些保護，而且對端子接縫的反超限應力也起了一定的保護作用，這是因為卷盒向裡伸展。

這些系統提供了太過長的端子，它們都應用了貴重金屬而且末端鍍有錫，最後的25平方母端子設計圖是有四條接縫的卷盒端子，是為了適應貴重金屬末端的要求，而主要應用了高性能和多插腳。

正如同對端子的決定一樣，為了相同的市場公端子還應用於可機加工螺旋和沖壓成型的類型。圖6.5a和圖6.5b分別所示的是可機加工螺旋和沖壓成形的公端子。可機加工螺旋的端子常常鍍金，而沖壓成形的端子常常被發現在末端有貴重金屬和錫。

6.1.3總結

在應用中還有許多其他的母端子，都是為了適應耐久性配合力，成本的要求.上述有提及到，母端子彈性的一個重要功能是產生正常接觸力。

6.2  接觸正壓力

由於接觸正壓力對於以下性能特性之影響，使其成為連接器設計中一個主要參數。

* 配合力

* 磨損

* 接觸彈性部上之壓力

* 連接器殼體上之壓力

* 接觸電阻

增加之正壓力對以上前四項產生不利影響，而只對一項產生緩和之因素。如在第二章所討論的，一樣之接觸面結構，即冷焊後之粗糙結合部，引起了磨擦及磨損。增加之正壓力提高了磨擦力，也增大了配合力及磨損率。緩和之因素是增加之磨擦力同樣提高了端子接觸部之機械穩定性。這是一個有利的因素，因為它減少了接觸面之潛在不穩定性，降低了它受在端子接觸面或其附近出現之腐蝕性產品或污濁影響的敏感程度。

如將要被討論的，增加之正壓力使得在端子彈性部上之壓力變大，這樣反過來也對連接器殼體產生一個更高之壓力，因為在大多數連接器設計中，端子是被殼體在某些點所固持的。在端子彈性部上的更高壓力對彈性物質產生的強度和其可成形性間之權衡關系有更高之要求。在連接器殼體上之高壓力導致殼體更易發生變形，這樣可能影響彈性部之固持位置，進而影響正壓力。從這一點來看，顯示出增加之正壓力總的來講對連接性能產生不利之影響。

然而增加之正壓力卻可以抵銷這些不利影響，如在第二章所討論的，接觸電阻隨著正壓力之增加而減少，正如公式（2.9）所顯示出的，為方便敘述重複於公式（6.1）中。

Rc=接觸阻力

K=一個包括表面粗糙程度，接觸方式和彈性或塑性變形影響之系數

ρ＝電阻系數

H=硬度

Fn=接觸正壓力

增加的正壓力對接觸電阻大小之必然影響是，接觸面積增加，則接觸電阻減小。另外，接觸阻力的穩定性同樣通過兩種影響隨著正壓力之增加而增加。首先，增加之磨擦力提高了接觸面的機械穩定性，以及隨之產生的對抗端子接觸面不穩定之阻力。其次，如將在6.7.1節進行討論的，在端子區域裡的這種增加同樣提高了接觸面之抗腐蝕能力。

從以上之闡述可以看出，正如Whitley和Mroczkowski所論述那樣，一個連接器的“最優化〞正壓力來自於較高正壓力對機械性能所帶來的不利影響與端子磨擦力有利影響間之權衡。在大多數例子中，“最優化”被譯成“最小化”以著眼於使不利之影響最小化。要理解這種權衡需要考慮對接觸阻力之影響。兩個因素必須加以考慮，正壓力需要建立接觸面，並且需要保持接觸面之穩定性。建立接觸面需要產生一個足夠的金屬接觸區，——如果必要，通過破壞或移走表面之氧化膜或污物。在通過要求數量之配合周期後仍保持表面保護層之完整性之前提下，接觸面之穩定性來源於通過增加磨擦力而保證之機械穩定性。

來自於Whitley和Mroczkowski二人之圖6.6顯示，對於鍍金之接觸表面保護層，10g之正壓力已足夠產生3Ω之接觸電阻，這對於實際中任何電訊裝置都能滿足需要。然而，這種“金屬”或貴金屬的最小力並不能解釋氧化膜被破壞或移走之原因。常規知識解釋說，對一個連接器“最小的”正壓力是100g。這種常規知識之來源不為人所知，但可以追溯到一篇1970年貝爾實驗室中的文章。不考慮這個來源，最小量也總是闡述成10g以上。所得到之結論是（如在參考1和2中所討論的），最小正壓力之剩余必須能夠保證氧化膜之破壞和端子接觸面在不同應用環境下之穩定性。

簡單說來，但不是簡單量化，正壓力之要求由在連接器操作環境中的機械及熱條件下保持端子接觸面完整性之要求所決定。

如果在一個連接器中，理想的情況是將正壓力“最小化〞，那麼產生正壓力之機械就會變得令人感興趣。除此之外，對於在連接器應用過程和使用壽命中保證正壓力穩定性有重要作用之設計因素，是值得討論的。這些影響穩定性之因素將會進行一些細節討論，但為了做這項工作，必須對在連接器中正壓力是如何產生的進行討論。

6.3 端子正常作用力及端子設計

在連接器裡，端子正常作用力主要來自於兩連接器插接時插座之端子梁因與插頭配合產生的位移，該位移產生的彈性恢複力就是端子正常作用力。

6.3.1  材料性能和端子正常作用力

材料性能是決定端子正常作用力的基礎，其性能指標是伸長（或稱彈性）系數和彈性極限或屈服強度。為方便起見，圖6.7根據應力與應變曲線指出這幾個性能指標，伸長系數是應力與應變曲線線性部分或稱彈性變形區的斜率，因此其亦稱彈性系數；彈性極限強度是指某一臨界點，於該點之前應力與應變停止線性關系，而此時塑性變形即將開始；屈服強度是使塑性變形進行到某一定程度時之作用力，在絕大多數情況下，屈服強度被指定為產生0.2%或其它定值之殘余變形所需的作用力。下面我們將要討論的是已知端子梁之幾何形狀如何將應力與應變曲線轉換成力與位移曲線。

假如把端子近似視為一懸壁梁，遵循圖6.8之注釋，可得出有關端子正常作用力和梁設計參數之等式

　　F=(D/4)*E*[W*(T/L)3]　，　　　　　　　　　　  　(6.2)

其中　　Ｄ==梁位移量

　　　　Ｅ==材料彈性系數

　　　　Ｗ==端子起拱處寬度

　　　　Ｔ==端子起拱處厚度

　　　　Ｌ==端子起拱處長度

該等式包括三個要素﹕梁位移(設計選擇)、彈性系數(材料參數)和端子拱起處之幾何形狀(亦為設計選擇)，其中每個要素都是獨立的，且據不同之考量導出。

由Lowenthal et al.報告的將上述等式運用於工程中，為端子承受正常作用力之連接器設計或材料選擇提供了理論依據，該研究中端子之幾何形狀與圖6.4d所示相似，其具有兩個獨立端子梁，其中每一個端子梁可視為簡單的懸壁梁，如6.2式所述。

圖6.9摘自參考3，其為銅合金之選擇提供了端子正常作用力和梁位移之關系(如6.2式所述)。以下討論將只限於下面三種材料﹕C51000(磷青銅)、C72500(銅鎳錫合金，725合金)和C17200(鈹銅)。這些合金的材料特性如圖6.9和圖6.10所示，其它合金材料特性均羅列於參考3。

梁之彈性率和正常作用力與位移之比例由下式可看出

　    　　F/D=(E/4)*W*(T/L)3                          　（6.3）

該彈性率對應於圖6.9所示的正常作用力與位移曲線之初始斜率，且該斜率的變化趨勢與材料彈性系數的計算結果相類似，這就是早期將形狀一定的端子的作用力與應變曲線轉變成力與位移曲線的依據，此三種合金的斜率數725合金最大，鈹銅次之，磷青銅最小。

端子之工作範圍設計應包括位移從0.0025英寸至0.05英寸(0.0635毫米至0.127毫米)之範圍內，如6.2式所示，與其它兩種材料相比，磷青銅端子所受的最小正常作用力(最小位移對應的力)較小，這主要取決於其較低的彈性系數，根據6.2式，端子梁的位移一定，如果要得到較大的正常作用力，可通過改變端子梁的幾何形狀而獲得，正常作用力與梁寬度呈線性關系，而與梁長度和厚度則呈立方關系，為提高正常作用力可改變上述每一個參數。

提高梁寬度會有一負面影響，即難以保證連接器端子間間隔大小；而減小端子長度會使得端子柱的接觸長度變小，這也是一個潛在的消極影響；另一方面，提高端子梁厚度可減小整個端子的幾何變形，但對於相同的正常作用力，其卻受到最大的沖擊，比如在其它條件相同的情況下，梁厚度為0.0105英寸(0.2667毫米)的磷青銅端子將能彌補彈性系數的差距，而達成與梁厚度為0.010英寸(0.254毫米)的725和鈹銅端子相同的正常作用力和彈性率。

6.3.2彈性變形之極限

公式6.2僅適用於端子梁之彈性變形。從圖6.9之數據中可以清楚地看到，情況不總是例證之端子那樣，725合金之變形量隨力的變化曲線關偏離了線性方向，並且圖6.10表明了725合金在變形到達最大變形量0.005英寸(0.127毫米)之前就存在永久變形。鈹銅與磷青銅保持"彈性"。725合金之屈服強度較其它兩種材料稍微低一點，但其彈性極限比其它兩種低得多。因此，它在少量變形情況下就呈現塑性，在此設計中，其在未達到設計變形量0.005英寸(0.127mm)之前就已產生了一永久變形。

端子變形量超出其彈性變形量範圍，會對主應力產生兩方面之影響。在連接器首次裝配過程中(最初之彈性變形)，如果端子梁開始塑性變形，則主應力與變形量關系曲線將為非線性。換言之，有效之彈性系數將下降，並且在一定塑性變形情況下之主應力要比在彈性變形下之主應力低得多。

另外，在隨之進行的裝配中，端子梁會產生永久變形，主應力也會因此減小。永久變形之結果是使端子梁之設計變形量減小。例如，圖6.10表明從連接器首次裝配到產生最大之梁變形過程中，725合金將產生0.001英寸(0.0635mm)。這個變形意味著端子之變形範圍將減小0.001英寸。因此能產生最小主應力之最小變形量為0.0025英寸(0.0635mm)，因此主應力會減小40%。在最大變形量為0.005英寸(0.127mm)時，主應力將減小20%，這仍是一個可觀之數字。在設計時如果假定為彈性變形，不考慮永久變形，則主應力之實際值較期望值低20-40%。

圖6.11中表明在首次裝配後，永久變形將繼續增長。由於變形過程中之端子彈性部硬化，永久變形將趨向於某一定值，這使得端子之屈服極限增大，如此則端子彈性部開始變形發生在其擴大了的彈性極限內。

6.3.3 應力松弛和正壓力

公式6.4敘述了懸臂梁上的正壓力Fn與懸臂梁的尺寸及懸臂梁上的應力σ間的聯系，它是有關表明端子之所受正壓力與其設計/材料參數間關系的第二個等式：

        Fn=（σ／6 ）*（ WT／L2）      　　　　　    (6.4)         

公式（6.4）表明了任何的應力減少都會導致正壓力的減少。雖然應力松弛在第四章討論過，但在這還是有必要複述其定義。

應力松弛是指應力在常應變的情況下會隨著時間的延續而減弱。

就連接器而言，對公式6.4，我們可以更確切地定義為在連接器使用期間，隨著時間的延續，正壓力會以一持續的偏差而削減。換句話說，僅僅是由於端子懸臂梁受到了因其配合偏移而產生的應力，而其所受正壓力的削減可看作是時間和溫度雙重作用和結果。當連接器的工作溫度升高，此時應力松弛就更為重要了。圖6.12論證了其關系。當懸臂梁位於其最大偏差0.005英寸（0.127mm）時，在96小時內，正壓力會隨著溫度的升高而減小。在連接器處於其一種更為典型的工作條件即恆溫的時候，時間對正壓力的作用類似於溫度對正壓力的作用。圖6.13出示了三種被選擇材料在25℃到105℃之間其應力松弛的數據。在室溫條件下，應力松弛對任何材料均只是稍微有影響，拿磷青銅的最糟糕的情形來說，在經過100，000小時（11.4年）後，其應力變化小於10%。然而在105℃的時候，可以看出應力會有很大損失，因而正壓力會急劇減小。

圖6.14是以又一種不同方式即永久性變形隨溫度的變化關系來表示應力松弛引起的結果。

在應力松弛的過程中，該應力是來源於有助於加工硬化的彈性變形和允許尺度變化的塑性變形間的轉換。這種轉換的結果如圖6.14所示。很明顯的，這種永久性變形隨著時間變化而變化的趨勢類似於正壓力的損失隨著時間變化而變化的趨勢。由應力松弛而引起的永久性變形同樣對正壓力有影響，如較早以前討論過的機械永久性變形﹕梁的可用偏差減小，正壓力伴隨著減小。

由於溫度應用的要求增加，如何控製永久性變形也變得更加重要了.雖然，正如附注4和附注5中所討論的，設計因素對永久性變形也會有影響，但是控製永久性變形的辦法主要還是通過對材料的選擇.第四章給出了一些供許多銅合金參考的永久性變形的數據。

．總結．

這種典型懸臂梁端子的特性反映了因端子所受正壓力而產生的梁的偏移和應力松弛的重要性。由機械加載或應力松弛所引起的永久性變形，其減小了梁的可用偏差，降低了正壓力。這使得我們更希望彈簧能一直在其伸縮範圍內工作，直到正壓力達到最大並還原。應力松弛可以靠操作的溫度對長期的正壓力產生重要的影響。正如第四章、附注4和附注5中所討論的，在處理應力松弛時，材料的選擇是主要的。

附圖說明﹕

　　圖6.11表示的是三種都做成典型端子幾何形狀的端子材料其端子永久性變形大小與其配合周期數的關系圖。其由AMP公司提供。

　　圖6.12表示的是三種都做成典型端子幾何形狀的端子材料其端子所受正壓力大小與其放置96小時之後所受溫度的關系圖。其由AMP公司提供。

　　圖6.13表示的是磷青銅、合金725、鍍金銅三種材料在25℃到105℃間其永久性變形大小與時間的關系圖。其由Olin公司提供。

圖6.14表示的是三種都做成典型端子幾何形狀的端子材料其永久性變形大小與其放置96小時之後所受溫度的關系圖。其由AMP公司提供。

6.4  正常作用力和結合力學

如果說具有可分離性是我們使用連接器的主要原因，那麼很有必要了解結合力學及其如何影響結合點的壽命和結合力大小。結合力學中有三個主要因素，即端子正常作用力，端子幾何形狀和摩擦系數。

圖6.15所示是一條結合力與插入深度曲線，其將端子結合的兩階段裡插柱在插座的位置反映出來。

在第一階段裡，當端子正常作用力施加於插柱時，插入作用力快速增加，在該段曲線裡端子梁不斷發生偏移，此時曲線的斜率由結合的插柱或插座的表面幾何形狀、摩擦系數和端子梁的伸長率決定，亦即梁的位移與施加的作用力的比例；在第二階段，正常作用力達到最大值，端子梁的位移亦達到最大值，且插座之端子梁沿插柱滑動，並因此產生一個摩擦力，該摩擦力大小由摩擦系數和端子正常作用力決定，而最大插入力是最重要的參數，因為它決定了施加多大的力可與連接器結合。下面分別對這兩階段作一討論。

6.4.1 第一階段﹕插入階段

當插柱開始進入結合區，插座的端子梁產生位移並承受端子正常作用力，同時，插柱開始頂著端子梁進行滑動，相對的會產生摩擦力，由於摩擦力的方向與運動的方向相反，因此使得插入力增大，故最大插入力主要取決於摩擦力的大小和方向，而摩擦力的大小取決於摩擦系數μ和端子結合接觸面的幾何形狀，所以，對一定的正常作用力，最大插入力取決於端子結合接觸面的幾何形狀和摩擦系數μ的原因是這些參數決定了摩擦力的大小和方向。

下面最大插入力的等式是將其簡化成施加於兩夾角為α的平面上，這條件與圖6.15所述的結合面幾何形狀類似，但這是忽略端子梁位移而不是正常作用力。

　Fi(max)=2Fn(max)[(sinα+μcosα)/(cosα-μsinα)]  　　　  (6.5)             

其中   Fi==插入力  

       μ==摩擦系數

       α==結合面的夾角，如圖6.15所示

在插柱插入過程中，結合面的角度隨著插座與插柱的幾何形狀變化而發生變化。

如圖6.16所示，對於100克的端子作用力和一定結合面夾角α，不同的摩擦系數對應於不同的最大結合力。在未加潤滑的情況下，鍍金端子末端的摩擦系數的公稱值是0.3。圖6.16表明﹕在這個簡單的模型裡，當結合面夾角由15°變至30°將使得結合力增加75%。

6.4.2  第二階段﹕滑移階段

一旦端子梁位移達到最大，亦即插柱已達到相對插座端子插柱表面的滑移點，此時插入力可簡單視為摩擦力，如6.6式所述

        Fi＝μFn                                       　（6.6）

其中    μ==摩擦系數

         Fn==端子正常作用力

．總結．

最大端子結合或插入力取決於結合面端子的幾何形狀、端子的正常作用力和摩擦系數，且這其中每一個變量都是獨立的。可通過使用端子潤滑劑減小摩擦系數，從而大大減小結合力。另外，有關結合力學的研討可參閱參考6和7。

顯然，連接器結合力不是簡單的各個端子結合力的累加。另外，如果在結合過程中發生端子不重合或對準不良，端子松動以及插頭與插干涉都會大大增加連接器的結合力，故當連接器的針數增加，端子插入力和結合力應重點設計。6.5  端子擦拭接觸效力

如第一和第二章所討論的，建立一個金屬接觸面對於低穩定接觸電阻來講是極其重要的要求。視接觸鍍層和應用環境而定，可能需要清除各類膜層、污濁以確保金屬接觸。擦拭接觸效力與在連接器配合過程中移走膜層、污濁之效率有關。

有關於連接配合的兩個術語經常被交換使用﹕接合長度與擦拭接觸。接合長度特別是指公端子插入母端子的全部距離。擦拭接觸通常指的是端子表面相對於另一面之運動。接合長度與擦拭接觸在大多數例子中從幾何學角度來講是一樣的，它們的功用卻明顯不同。接合長度之要求是需要保證端子在任何容許條件下進行配合；例如，殼體之形變部分導致連接器沿其長度方向彎曲。這種要求與特殊的端子尺寸有關。典型之接合長度可以是100 mis 或更多。在另一方面，擦拭接觸效力要求保證有效轉移表面膜層與污濁，這些表面膜層與污濁產生於明顯少於100 mils之距離上。

擦拭接觸效力由接觸幾何形狀，接觸正壓力，擦拭接觸長度以及必須要被破壞或移走之該種污濁。在這一節將討論擦拭接觸效力中關於確保移走在電路板上灰塵上的最小必要擦拭接觸距離的內容。這一節之內容是總結於Brockman， Sieber， 和Mroczkowski的兩篇論文。

有兩種擦拭接觸方式被考慮過了。在第一種方式中，施加了全部的正壓力，這樣擦拭接觸動作就發生了。這種方式模擬典型的連接器配合條件，在這種條件裡，為了進行配合接觸梁在一定之距離完全偏轉。在第二種方式中，擦拭接觸只在施加了正壓力的時候才發生，這種方式是要模擬在零角度力連接器中的動作。這裡的討論將限於第一種更典型之方式。第二種方式的結果在本質上一樣的。

三個幾何形狀與兩個正壓力值作為獨立變量在擦拭接觸距離被用到。這些幾何形狀在圖6.17中進行闡述。這些幾何形狀分別被描述成半球形H，橢圓形E，圓柱形C。半球形的半徑只有很小的0.060 in(1.524mm)，半球的長軸與短軸是0.040 和0.020 in (1.016 和0.508mm)，圓柱形的半徑也只有很小的0.035 in (0.889 mm)。圓柱形與橢圓形在幾何形狀上是近似的，但在相對於端子長軸運動方向上有所區別。橢圓形之長軸平行於運動方向，而它對於圓柱形的長軸則是垂直的。所有的端子在鎳層上都鍍上了50μin(1.27μm)金。

全部50或120g的正壓力施加於端子上，擦拭接觸運動由於在X-Y工作平台上之運動面產生。在所有的情況中擦拭接觸長度為0.025in(0.635mm)。