介紹一種新一代航天用納小型連接器

聞春國(guó) 譯

(四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司，四川綿陽(yáng)，621000)

綜述與簡(jiǎn)介

介紹一種新一代航天用納小型連接器

聞春國(guó) 譯

(四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司，四川綿陽(yáng)，621000)

隨著復(fù)雜的電路芯片在印制板和模塊中的集成度越來(lái)越高，航天航空電子系統(tǒng)在設(shè)備性能方面的作用也越來(lái)越大。而新型數(shù)字電子系統(tǒng)越來(lái)越要求傳輸信號(hào)的導(dǎo)線和連接器的體積可以大幅度減小。這也導(dǎo)致其密度的大幅增加，以及所占用體積和重量的進(jìn)一步減小。于是，一種體積和重量比傳統(tǒng)的微型連接器小10倍的新一代納小型航天連接器便應(yīng)運(yùn)而生了，并由此推動(dòng)著航天航空工業(yè)的發(fā)展。本文將介紹這種新一代0.025英寸間距的納米連接器，簡(jiǎn)單介紹其尺寸、重量和互連方法，包括插針、插孔設(shè)計(jì)以及熱震、振動(dòng)方面的技術(shù)要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這種連接器已經(jīng)通過(guò)了高達(dá)22000g的沖擊試驗(yàn)，并滿足航天釋氣和熱偏移要求。本文通過(guò)X射線圖、橫截面圖和產(chǎn)品圖片方式介紹了連接器結(jié)構(gòu)，并介紹納米連接器的一些應(yīng)用領(lǐng)域如太空機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、傳感器和監(jiān)測(cè)器以及航天級(jí)導(dǎo)線和柔性互連電路。用于帶有超微型同軸和EMI保護(hù)功能的甚高速電子產(chǎn)品的更先進(jìn)的連接器也將在文中有所涉獵。

納小型連接器；D小型連接器；插針/插孔；航天工業(yè)

1 引言

隨著小型衛(wèi)星、深空探索和高數(shù)值電子儀器裝置新時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)航天飛行器上更為復(fù)雜的集成電路、電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和大容量處理器的需求量日益增大。美國(guó)航天局(NASA)逐漸將接觸件密度向微型模塊化方向推進(jìn)。數(shù)字式電子元件隨著模塊-模塊之間互連數(shù)量的增大而逐漸受到市場(chǎng)的親睞。由此可見(jiàn)，D小型連接器正在逐步讓位于納小型互連器件。實(shí)踐證明，納小型連接器在許多航天應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)以其優(yōu)越的性能逐漸鞏固其突出的優(yōu)勢(shì)地位。

2 納小型互連器件

納米連接器(Nano-miniature Connector)又稱納小型連接器，其插針和插孔采用的間距為0.025英寸，而傳統(tǒng)D小型連接器則采用0.05英寸間距。這使得納米連接器插針和殼體的長(zhǎng)度大大縮短，形成了一個(gè)體積為0.014英寸3的標(biāo)準(zhǔn)型25位納米連接器。它比傳統(tǒng)D小型連接器體積小了10倍。我們發(fā)現(xiàn)，將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的納小型連接器和傳統(tǒng)D小型連接器25位的插座進(jìn)行比較，其重量也由3.2克大幅度地降到0.39克。這一外形尺寸和重量上的大幅減小也為印制板設(shè)計(jì)和滿足其重量目標(biāo)上提供了許多優(yōu)勢(shì)條件，反過(guò)來(lái)也降低了航天器的發(fā)射成本。

圖1 納小型連接器(上)與間距為0.05英寸的D小型連接器(下)外觀對(duì)比

從外形上看，納小型連接器(0.025英寸中心距)與微小型(即傳統(tǒng)的D小型)連接器(0.05英寸中心矩)系統(tǒng)的尺寸差別相當(dāng)之大，從表1的對(duì)比可以看得出來(lái)。

表1 納小型連接器與微小型連接器尺寸區(qū)別(%)

3 納小型連接器的結(jié)構(gòu)

鈹銅鍍金無(wú)縫插針和插孔用作納小型連接器的接觸件，而插孔實(shí)際上是接觸件的有源元件。位于管狀插孔一端的微凹則提供了必要的彈性作用，以保證插頭中的插針在插入插座時(shí)可以形成一個(gè)較大的接觸面積。45密耳的觸點(diǎn)超程可以使鍍金插孔管狀內(nèi)側(cè)的接觸電阻保持在0.003Ω～0.008Ω范圍以內(nèi)。鍍金插針直徑為0.0125英寸，采用無(wú)縫管狀結(jié)構(gòu)，其一端為實(shí)心。管狀插針和插孔元件的性能超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的航天振動(dòng)要求，而且沒(méi)有出現(xiàn)采用過(guò)去裂口式插針連接器時(shí)所常見(jiàn)的正弦波共振現(xiàn)象。

選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，采用適當(dāng)?shù)募庸し椒梢源_保航天飛行中具有非常高的性能參數(shù)，并進(jìn)一步保證接觸件的可靠性?；ミB器件的引線或引線框采用硬壓接方式端接到插針和插孔背后的開(kāi)口端。連接器的主體外殼部分為金屬鋁或不銹鋼制成，然后再加上一層注塑模絕緣體聚苯硫醚(PPS)。PPS具有非常優(yōu)良的機(jī)械和電氣特性，完全通過(guò)NASA的外部太空電子元件低釋氣規(guī)范要求，然后再將壓接的插針和插孔插入PPS絕緣體中，并且其后部采用航天級(jí)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝。這一壓接-刺穿方法已經(jīng)被航天工業(yè)證明是一種非?？煽康墓に嚪椒ā?/p>

納小型連接器插針和插孔小型化的一個(gè)突破是所謂的“性別顛倒”，即讓插針成為彈性件，并將置于保護(hù)用的絕緣體內(nèi)，同時(shí)將其固定于插合的插孔接觸件的捕獲半徑內(nèi)。暴露的管狀插孔的牢靠性大大高于直徑較小的插合插針。

圖2 橫截面插合的納小型連接器

圖3 用于PC機(jī)安裝的帶有90°彎頭的納小型連接器的X射線圖

表2 航天連接器的材料測(cè)試

表3 各種材料的性能

由表3可知，純金屬、Au和Cu的強(qiáng)度和彈性是很低的，即使導(dǎo)電性好，作為連接器也是難以應(yīng)用的。在這種狀態(tài)下，當(dāng)插拔一次后就可能不再接觸，可能起不到導(dǎo)電作用。鈹青銅的合性能是很好的，可以選用。此外，已用Ni-Co-Al彈性合金做這種器件，其性能與所列的恒彈性金相近。

人們經(jīng)常采用橫截面分析和電性能測(cè)試來(lái)監(jiān)測(cè)連接器的壓接質(zhì)量。利用間歇式X射線圖像來(lái)支持封裝組件的質(zhì)量保證體系。開(kāi)發(fā)深空系統(tǒng)的關(guān)鍵在于其裕度設(shè)計(jì)。連接器的性能必須能夠滿足多次發(fā)射、地球同步軌道運(yùn)行任務(wù)以及航天系統(tǒng)暴露在太陽(yáng)輻射和月球高寒環(huán)境下在10秒內(nèi)所產(chǎn)生的幾千次熱循環(huán)要求。太空機(jī)器人以及連接到傳感器的柔性互連器件的設(shè)計(jì)和測(cè)試必須做到在這些條件下的長(zhǎng)期試驗(yàn)過(guò)程中以及試驗(yàn)之后都能保證其性能要求。許多航天計(jì)劃從測(cè)試到建立規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的整個(gè)成本風(fēng)險(xiǎn)約束體制下不失為一種順理成章的選擇。裕度設(shè)計(jì)和質(zhì)量保證體系保證應(yīng)該遵從適用于航天條件的美國(guó)航天局(NASA)和美軍標(biāo)(MIL)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

4 航天應(yīng)用鑒定測(cè)試

美國(guó)一家納小型連接器供應(yīng)商提交了一種0.025英寸間距的連接器，要求對(duì)其進(jìn)行MIL-C-83513測(cè)試和航天計(jì)劃應(yīng)用測(cè)試，以鑒定這種納小型連接器是否滿足NASA航天飛行要求。下表中的測(cè)試項(xiàng)目為航天飛行儀器性能保證的一些重要的技術(shù)參數(shù)。

極溫?zé)嵴鸷驼駝?dòng)測(cè)試可以向設(shè)計(jì)人員保證：電接觸件在發(fā)射和突然受到溫度沖擊時(shí)能夠保持電接觸完好無(wú)損，不受影響。利用低質(zhì)量、直接安裝的硬件設(shè)計(jì)的納小型連接器大大地超過(guò)了大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域所規(guī)定的技術(shù)要求。近年來(lái)，在專(zhuān)用槍發(fā)射的模塊中試驗(yàn)的表面安裝連接器(SMC)和通過(guò)航天試驗(yàn)離心機(jī)測(cè)試都很好地反映這一點(diǎn)。

表4 航天鑒定的關(guān)鍵試驗(yàn)

5 航天試驗(yàn)離心機(jī)和沖擊測(cè)試

上述連接器在±X、±Y和±Z軸方向都通過(guò)了22000g沖擊試驗(yàn)，然后再?gòu)囊粋€(gè)口徑為8英寸的專(zhuān)用槍中發(fā)射出其它類(lèi)似的裝置，使之經(jīng)受X軸向18000g沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為13-17毫秒。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種連接器在測(cè)試之后其工作性能完好無(wú)損，沒(méi)有出現(xiàn)電流瞬斷現(xiàn)象，從而也證明了其牢固的穩(wěn)定性。這一試驗(yàn)環(huán)境超過(guò)了大多數(shù)航天系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)性的實(shí)際應(yīng)用條件。

用于航天工業(yè)的納小型連接器其最后一項(xiàng)測(cè)試始終是讓產(chǎn)品在深空中進(jìn)行實(shí)際性能測(cè)試。所測(cè)試的納小型連接器建議最好選擇那些具有很高成功記錄和良好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的互連器件。

6 納小型連接器外形結(jié)構(gòu)

納小型連接器接觸件的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖4。從圖中我們看出導(dǎo)線定位銷(xiāo)的位置以及嚙合微凹孔的細(xì)部特征。嵌入模塑矩形外殼內(nèi)的插針和插孔的線性校準(zhǔn)也增強(qiáng)了其抗振的穩(wěn)定性。目前，這種接觸件構(gòu)造已經(jīng)申請(qǐng)了美國(guó)專(zhuān)利(其專(zhuān)利號(hào)為5254022、5385492)。

圖4 納小型接觸件系統(tǒng)

高密度模塊的安裝方法要求微型接口能夠插入緊湊的角落里或者安裝在邊緣上，也可以直接采用板-板間的接口插入。新一代納小型連接器提供了垂直-垂直或水平-垂直盲插式接口器件，從而進(jìn)一步減小了模塊的尺寸。穿孔式和SMT型納小型連接器在航天飛行中均得到了廣泛的實(shí)踐證明。

圖5 各種納米連接器外形構(gòu)造

表5 納小型航天連接器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

連接器的互連接口可以采用30 AWG(或更小)、絕緣導(dǎo)線，也可以在航天應(yīng)用領(lǐng)域中采用插針-壓接方法的聚亞酰胺柔性電路來(lái)完成。

7 納小型連接器的應(yīng)用

納小型連接器開(kāi)始主要是應(yīng)用于傳感器元件到控制裝置和傳輸系統(tǒng)之間的互連。然而，隨著其可靠性在實(shí)際應(yīng)用中逐漸得到驗(yàn)證，納小型連接器現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于可以采用電路疊合以及柔性層疊的新型微型模塊板中，這樣就可以將它裝配到錯(cuò)綜復(fù)雜的較小的外形和空間中。

圖6 帶有納米連接器的AFM模塊

采用納小型連接器的航天電子器件主要包括哈勃太空望遠(yuǎn)鏡中的攝像機(jī)和光譜分析儀互連器件、杜瓦真空瓶電子器件、太空陀螺儀、航天發(fā)射機(jī)器人系統(tǒng)、THAAD電路以及太空站探測(cè)裝置和傳感器。這一特定應(yīng)用之所以能夠進(jìn)一步拓展許多分析和探測(cè)系統(tǒng)性能主要在于便攜式熱氣體分析儀(TGA)和光譜分析儀的開(kāi)發(fā)。

8 未來(lái)的航天連接器

航天用標(biāo)準(zhǔn)納小型互連器件的開(kāi)發(fā)非常適用于航天工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，但更高速度的推動(dòng)力則來(lái)自模擬和數(shù)字領(lǐng)域。為了滿足這一需求，人們開(kāi)發(fā)出一種帶有新型屏蔽層的互連器件，以進(jìn)一步拓展了信號(hào)性能的適用范圍。設(shè)計(jì)開(kāi)始采用標(biāo)準(zhǔn)的納米微型插針和插孔組件，應(yīng)用實(shí)踐證明了它在太空應(yīng)用中的可靠性，然后再給屏蔽層-屏蔽層連接器添加一個(gè)360°外層環(huán)形金屬接口。

外部屏蔽連接首先插合，然后是信號(hào)插合工序。新型同軸互連器件的尺寸利用最大為30AWG同軸導(dǎo)線(其直徑為0.058英寸)，并裝入納小型絕緣體中。尺寸較大的同軸器件要求約3位的0.025英寸納小型連接器。這樣，在裝有同軸插針組件的地方，其間距擴(kuò)大。而混合信號(hào)結(jié)構(gòu)似乎很適合于許多航天信號(hào)的監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)BNC連接器及納米同軸線纜

圖8 配有32 AWG同軸線纜插針/插孔組件

這種同軸線纜插針/插孔組件的標(biāo)稱阻抗為42Ω，其信號(hào)接觸電阻在0.003Ω～ 0.008Ω之間。高頻的初次測(cè)量通過(guò)一個(gè)H.P. 8753網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)完成。其性能高達(dá)2GHz，衰減量小于1.8 dB。

這一新型納小型軸向互連系統(tǒng)利用本文前面所列的所有材料，并進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足航天應(yīng)用領(lǐng)域的需要。設(shè)計(jì)因素包括較小直徑的同軸線纜與納米級(jí)連接器外殼新尺寸的配合問(wèn)題。對(duì)于降低反射，提高連接器系統(tǒng)的頻寬來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)必不可少。

9 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，用于航天電子系統(tǒng)的納小型連接器技術(shù)已經(jīng)超出了人們預(yù)期的可靠性以及性能要求。它們?cè)跍p小許多航天電子系統(tǒng)模塊互連器件的尺寸和重量方面也是行之有效的。由于體積和質(zhì)量的大幅度減小，其質(zhì)量/力的效果也得到了明顯的改善。隨著其電流強(qiáng)度要求的降低，其信號(hào)保持了較高的完整性，而其傳輸速度卻進(jìn)一步增大。增加納米微型屏蔽互連同軸線纜之后，航天電子器件將會(huì)繼續(xù)減小其體積，而增大其技術(shù)有效負(fù)載。太空探測(cè)裝置也將會(huì)進(jìn)一步增大其數(shù)據(jù)采集的能力，太空機(jī)器人的機(jī)動(dòng)靈活性將會(huì)因此進(jìn)一步增大，而交互式信號(hào)系統(tǒng)的速度和容量也將會(huì)隨之飛速上升，而其成本卻不會(huì)隨體積和重量的變化而增加。

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

[2] 伍克軍 李達(dá)耀等. 納米衛(wèi)星微型連接器結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì). 儀器儀表學(xué)報(bào)，總第17卷.

[3] Pendleton W.E., Tackett A., Korzeniowski L., Cvijanovich G.B., Williams R.T., Jones W.C. : Computer Simulation of Topographical Changes on Gold Contact Surfaces Caused by Loading, , Proc. Holm Conf., 1998, pp. 120-126.

2015-08-13

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.05.012

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1000-6133(2015)05-0047-05