连接器行业最新发展趋势分析

邹 翔，彭清华

(郑州航天电子技术有限公司，河南郑州450066)

1 引言

国内外巨大的互连产业市场促进了连接器行业的迅速发展。目前，国际上主要连接器公司在大力发展最新前沿技术，研制最新技术产品。本文通过对国际连接器行业产品和科研领域的调研，追踪和分析国际连接器行业的技术发展趋势，探讨技术发展中存在的问题及解决方案，主要对高密度小型化、耐环境、信号完整性、智能连接等方面的最新技术成果和发展情况进行了介绍、分析和总结。

2 高密度小型化

半导体工艺的进步延长了摩尔定律的寿命。目前，集成电路的集成度已经达到了22nm制程。作为电子设备中重要的一部分，电连接器也必然向高密度、小型化的方向发展。这种趋势已经体现在各种类型的电连接器产品上。

在军用无人机领域，Glenair公司的80系列连接器是MIL－DTL－38999连接器的替代品。与同等密封38999连接器相比，质量减轻61%，尺寸减小52%。采用金合金高可靠性接触件，具有同等牢靠的电气、机械和环境性能，非常适用于更小、更轻的无人机平台。80系列连接器是一种在无人机上使用十分广泛的一种成熟产品，使用80系列连接器的无人机包括“火力侦察兵”无人直升机、“捕食者”无人机等［1］。

图1 Glenair80连接器(左)与38999标准连接器(右)对比图

在消费电子领域，Molex公司的SlimStack 0.4系列连接器(0.4mm 间距，0.7mm 堆叠高度，2.5mm宽度)是业界最小的板对板连接器之一，非常适合手机等紧密封装应用。许多 SlimStack 0.4系列连接器可互插且针脚相容，无需更改印刷电路板模式即可实现各种堆叠高度。该系列连接器还包括防止焊剂侵入的镍隔离镀层、实现牢固插配的摩擦锁、增强接触可靠性的两点式接触设计等特性。

图2 SlimStackTM0.4mm间距板对板连接器

目前，连接器最大的技术难点是在产品小型化前提下保证产品的可靠性，一些过去不曾出现的问题将变得越发重要。

例如，先进的表面安装技术使连接器可以贴装在PCB板两面，极大地增大空间利用率，这就要求焊点必须提供结构和电子功能。但是，当连接器材料在较高温度下长期使用时，焊料和金属镀层之间会形成金属间化合物。以连接器中常用的铜和锡焊料为例，在锡镀层和铜合金基体之前产生Cu3Sn化合物。同时，在此化合物表面形成了Cu6Sn5金属间化合物。这种金属间化合物在电流的作用下会快速生长，造成了明显的机械应力［2］。大量研究结果表明，当金属化合物层的厚度超过2μm时，两种金属的界面脆性显著增大，并在扩散增重产生大量的裂纹和孔隙，从而对焊点的力学性能造成显著影响，严重时会造成连接器脱落［3～6］。为了应对这种现象，连接器厂家采取了某些PCB应力消除方案，如焊锚或通孔回流针等。

此外，晶须现象也是十分重要的可靠性问题。环境法规禁止连接器端子镀层含有铅元素成分的规定使无铅镀层得到广泛的使用。大部分无铅镀层都含有锡，而锡可以在表面自发形成一种须状金属纤维，即晶须。晶须的机械强度高，导电性好，在生长到一定长度后，会使接触中心距过小的镀锡端子会有短路的隐患［7］。晶须在高温和硫化氢气氛中生长速度很快。因此，锡和锡合金一般只在良好环境和中等温度的电气设施中使用。

3 耐环境

电连接器与其它电子元件不同，其可靠性不仅取决于其本身的材料、结构与几何尺寸等参数，更由于接触点大多暴露在大气中，大气污染如尘土、腐蚀性气体、湿度、温度，都会直接影响连接可靠性。因此，连接器的好坏无法立刻判断，至少需要上千小时的模拟环境试验或数年的真实环境试验，但国内的公司很少有时间和财力开展这种耗资巨大的实验［8］。这就导致了国内部分厂家的产品看上去与国外先进产品相差无几，但长期使用后却暴露出各种问题。

外部环境引起的电连接器的常见失效机理繁多复杂，最常见的有以下几个方面。

3.1 孔隙率

孔隙的实质是镀层金属表面的空洞，空气中的水蒸气和/或其他物质透过空洞和基体金属发生化学反应形成绝缘的腐蚀产物。影响孔隙腐蚀的因素主要是镀层孔隙率和环境湿度［2］。孔隙率高多是由底层金属表面的粗糙区域和不成熟的镀金工艺造成的［9］。此外，要电镀的金属表面的尘土也会形成孔隙，即使镀层厚度增加到2.5μm这种孔隙依然存在［10］。环境湿度较大时，镀层金属和底层金属之间的电化反应加快，腐蚀产物在孔隙内形成并扩散到镀金层表面，严重时可导致镀层脱落。

为了减轻孔隙腐蚀，可以用化学方法在金镀层上形成一个薄的保护层。这种保护层不会降低接触电阻，还可以隔绝空气。研究发现即使只有0.1μm厚的金镀层在经过适当处理后，都能达到厚镀层的抗腐蚀效果［11］。此外，通过电镀抛光降低表面粗糙度和提高电镀工艺水平也是十分必要的。

3.2 微动磨损

实际使用中，电接触界面会产生微小的往复运动。实验表明，振幅在10－8cm量级就会产生微动磨损［12］。微动磨损使金属表面的氧化膜发生破裂，未氧化的金属暴露在环境中被氧化，而磨损碎屑的氧化和硬磨粒的形成将进一步破坏接触表面，并最终在接触表面之间形成一层厚的氧化绝缘层，严重时会造成连接器开路。人们普遍认为，微动是不超过125μm幅值的滑动，因为这种限幅运动不能清除积累的碎屑和氧化物，为厚绝缘层的形成提供了环境。微动的过程相当复杂，往往受接触条件、环境条件、材料性能和表现等因素影响［2］。

Anlter通过对电子连接的研究［13］，发现不同金属间的微动过程中，金属的迁移方向总是从软面到硬面。例如，金与锡相结合作为接触材料时，在微动条件下较软的锡将扩散到接触面，并覆盖较硬的金。扩散的材料是锡氧化物和碎屑，它们在微动中不断累积，使接触电阻不断升高，从而影响到系统的电气稳定性。

由于电镀层的耐久力要收到系统复合硬度的影响，因此常在金镀层和软的基体金属中间加入硬的镍电镀层。实验表明，没有使用中间层时，仅103个微动周期之后接触电阻就开始上升;使用了镍中间层时，接触电阻在长达106个微动周期内保持稳定［14］。

3.3 腐蚀

常见的腐蚀包括大气腐蚀、局部腐蚀、裂隙腐蚀、点蚀、孔隙腐蚀、迁延腐蚀、电化学腐蚀、尘土腐蚀、应力腐蚀等，且经常一种腐蚀伴随其他腐蚀同时发生。虽然多种腐蚀的机理各不相同，但都可以归结为金属与某种反应物接触所造成的性能退化［2］。

润滑是抑制腐蚀的一个最有效的方法。润滑可以密封薄贵金属表面的孔隙防止底层金属腐蚀;可以减少摩擦系数，因而减小两个接触面的微动磨损;可以通过阻止腐蚀环境因素进入接触区来提供一种防御性保护。润滑的优点还有它在使用较薄的电镀金属时不影响连接的可靠性［2］。但是，没有一种润滑可以针对所有的腐蚀，最终要根据实际需求来选用合适的润滑剂。

图3 Souriau公司复合材料壳体连接器

此外，复合材料外壳的开发也大大增强了连接器的抗腐蚀能力。这种外壳多采高强度工程塑料制作，表面金属化处理，比传统金属外壳有着更好的防护性。在复合材料的研制方面，Souriau公司居于领先地位。该公司研制的复合材料圆形连接器采用了先进的高压模塑和镍层涂镀方法，它通过了防流体结冰试验，镍镀层可以经受住侵蚀性流体，另外经受住了500μs的10000A电流冲击试验，可耐雷击、阻燃、耐化学腐蚀，目前成功地配套波音787、F－35战机等装备。

国外对恶劣条件下电连接的研究已有60多年的历史，科研水平和产品质量都相当高。Deutsch公司生产的SAC复合材料连接器采用了复合材料及表面金属镀层，具有很高的耐腐蚀性，能在高温下能经受2000h、5%的NaCl盐雾试验，远远超过了MIL－C－38999规定的500小时［8］;Souriau公司生产的MicroComp系列连接器可以承受长达8小时的44g随机振动和持续时间13ms的50g冲击，期间没有破裂、损坏或松动，且没有发生1μs以上的断路，耐振动冲击性相当好。

4 信号的完整性

过去的电连接器一般是以机械产品的思路来设计生产，信号的完整性很少被提及。但随着高速电子系统的频率达到数百兆Hz，其极高的工作频率和集成度使传统连接器不断出现信号完整性问题，如信号失真、定时错误、不正确数据、地址和控制线以及系统误运行，甚至系统崩溃［15］。因此，高速连接器的信号完整性需要作为一个专门的技术点进行突破。

信号完整性与信号传输延迟和波形损坏程度有关，破坏信号完整性的原因主要有以下几个方面。

4.1 反射

其产生的原因是由于连接器与PCB板互连处的阻抗不匹配。在高频情况下，传输线的特性阻抗规定为:

公式中，L表示单位长度传输线的固有电感，C表示单位长度传输线的固有电容。通过改变介电常数，传输线长度和宽度的方法(或连接器导体的长度和几何结构)可以调节特性阻抗。实际应用中电磁场的分布非常复杂，用传统方式很难计算出特性阻抗，经常要借助有限元分析。

4.2 串扰

串扰产生的原因是相互靠近的传输线之间的电磁耦合。随着连接器接触中心距的减小，信号间的几何距离越来越小，这种电磁耦合带来的影响已无法忽略。应对串扰最有效的办法是采用差分信号传输，可以极大降低外界对差分对的公模干扰。但是，差分信号不同步产生的干扰却无法消除，因此用尽可能的使两根差分线的时延相等。

Molex公司在处理连接器串扰上表现得十分优秀。其最近推出的Impact系列高密度高速背板连接器每英寸有多达80组差分对，支持高达25Gbps的传输速率，并且将串扰由8% ～10%降到了2%以下。

图4 Impact系列背板连接器

4.3 衰减

在传输过程中，信号幅度的减小是不可避免的。衰减的原因是因为真实传输线路是有损耗的，选用绝缘性好的绝缘材料和导电性好的金属有助于抑制信号衰减。以目前最常用的FR－4环氧玻璃纤维板为例，当信号的衰减小于－40dB时，布线长度Len与传输的极限速率DR有着如下关系:

这是由材料性质决定的。由此关系可知，高速信号衰减限制了最大布线长度(或者说背板尺寸)，这是高端服务器和电信设备的主要制约因素之一。此外，铜线缆的高速信号衰减也构成了一个挑战。

值得一提的是，光纤连接器在传输速率和信号完整性上都远优于传统的铜连接器，业界出现了“光进铜退”趋势。但是，光纤的突出问题是，在连接处信号的分路和扩散不如铜连接器方便，而且光收发机的成本也限制着铜线缆向光纤的过渡［16］。目前，各大连接器公司同时提供光纤连接器和铜连接器。总的来说，光纤技术发展很快，但在可预期的将来铜连接器仍将占据相当一部分市场。

5 智能连接

这一概念最早由Tyco公司在2010年的慕尼黑电子展会上首次提出。智能连接器是一种未来的嵌入式智能产品，可以将板上器件的某些功能转移到外部电缆上来实现。未来的智能连接器可以将像芯片一样可编程，并逐步增加诸如信息通讯、操作保护、标准转换、感应和检测等功能。

智能连接在多个领域有着广泛的应用前景。以新能源领域为例，目前太阳能发电领域面临面板发电量不确定和输出电流固定的矛盾，智能连接有望解决这一问题。阳光照射、入射角度影响了太阳能面板能量的输出大小，而和电网相连的面板其产出电流有一个固定输出值。如果系统可以按照射入光的大小和角度调整光电转换的效率，就能实现最大化转换效率，通过可编程智能连接器可以达到最佳能量输出效果［17］。

6 结论

面对国际连接器行业的迅猛发展，有必要了解国外连接器行业最新发展趋势与用户的特殊需求，通过追踪、分析和借鉴国际连接器行业最新技术，继续深入研究技术难点，推出解决方案，促进国内连接器行业的发展。

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［17］chunyang.连接器通过“智能连接”摆脱被集成电路吞噬的命运.http://www.dzsc.com/news/html/2010－5－27/116002.html