介紹一種新一代航天用納小型連接器

聞春國 譯

(四川華豐企業集團有限公司，四川綿陽，621000)

綜述與簡介

介紹一種新一代航天用納小型連接器

聞春國 譯

(四川華豐企業集團有限公司，四川綿陽，621000)

隨著復雜的電路芯片在印制板和模塊中的集成度越來越高，航天航空電子系統在設備性能方面的作用也越來越大。而新型數字電子系統越來越要求傳輸信號的導線和連接器的體積可以大幅度減小。這也導致其密度的大幅增加，以及所占用體積和重量的進一步減小。于是，一種體積和重量比傳統的微型連接器小10倍的新一代納小型航天連接器便應運而生了，并由此推動著航天航空工業的發展。本文將介紹這種新一代0.025英寸間距的納米連接器，簡單介紹其尺寸、重量和互連方法，包括插針、插孔設計以及熱震、振動方面的技術要求。試驗數據表明，這種連接器已經通過了高達22000g的沖擊試驗，并滿足航天釋氣和熱偏移要求。本文通過X射線圖、橫截面圖和產品圖片方式介紹了連接器結構，并介紹納米連接器的一些應用領域如太空機器人、運動控制系統、傳感器和監測器以及航天級導線和柔性互連電路。用于帶有超微型同軸和EMI保護功能的甚高速電子產品的更先進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

1 引言

隨著小型衛星、深空探索和高數值電子儀器裝置新時代的到來，人們對航天飛行器上更為復雜的集成電路、電子數據采集系統和大容量處理器的需求量日益增大。美國航天局(NASA)逐漸將接觸件密度向微型模塊化方向推進。數字式電子元件隨著模塊-模塊之間互連數量的增大而逐漸受到市場的親睞。由此可見，D小型連接器正在逐步讓位于納小型互連器件。實踐證明，納小型連接器在許多航天應用領域已經以其優越的性能逐漸鞏固其突出的優勢地位。

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度大大縮短，形成了一個體積為0.014英寸3的標準型25位納米連接器。它比傳統D小型連接器體積小了10倍。我們發現，將兩個標準的納小型連接器和傳統D小型連接器25位的插座進行比較，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計和滿足其重量目標上提供了許多優勢條件，反過來也降低了航天器的發射成本。

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(即傳統的D小型)連接器(0.05英寸中心矩)系統的尺寸差別相當之大，從表1的對比可以看得出來。

表1 納小型連接器與微小型連接器尺寸區別(%)

3 納小型連接器的結構

鈹銅鍍金無縫插針和插孔用作納小型連接器的接觸件，而插孔實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可以形成一個較大的接觸面積。45密耳的觸點超程可以使鍍金插孔管狀內側的接觸電阻保持在0.003Ω～0.008Ω范圍以內。鍍金插針直徑為0.0125英寸，采用無縫管狀結構，其一端為實心。管狀插針和插孔元件的性能超過了標準的航天振動要求，而且沒有出現采用過去裂口式插針連接器時所常見的正弦波共振現象。

選擇適當的材料，采用適當的加工方法可以確保航天飛行中具有非常高的性能參數，并進一步保證接觸件的可靠性。互連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具有非常優良的機械和電氣特性，完全通過NASA的外部太空電子元件低釋氣規范要求，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環氧樹脂進行封裝。這一壓接-刺穿方法已經被航天工業證明是一種非常可靠的工藝方法。

納小型連接器插針和插孔小型化的一個突破是所謂的“性別顛倒”，即讓插針成為彈性件，并將置于保護用的絕緣體內，同時將其固定于插合的插孔接觸件的捕獲半徑內。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試

表3 各種材料的性能

由表3可知，純金屬、Au和Cu的強度和彈性是很低的，即使導電性好，作為連接器也是難以應用的。在這種狀態下，當插拔一次后就可能不再接觸，可能起不到導電作用。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。

人們經常采用橫截面分析和電性能測試來監測連接器的壓接質量。利用間歇式X射線圖像來支持封裝組件的質量保證體系。開發深空系統的關鍵在于其裕度設計。連接器的性能必須能夠滿足多次發射、地球同步軌道運行任務以及航天系統暴露在太陽輻射和月球高寒環境下在10秒內所產生的幾千次熱循環要求。太空機器人以及連接到傳感器的柔性互連器件的設計和測試必須做到在這些條件下的長期試驗過程中以及試驗之后都能保證其性能要求。許多航天計劃從測試到建立規范標準的整個成本風險約束體制下不失為一種順理成章的選擇。裕度設計和質量保證體系保證應該遵從適用于航天條件的美國航天局(NASA)和美軍標(MIL)類標準規范。

4 航天應用鑒定測試

美國一家納小型連接器供應商提交了一種0.025英寸間距的連接器，要求對其進行MIL-C-83513測試和航天計劃應用測試，以鑒定這種納小型連接器是否滿足NASA航天飛行要求。下表中的測試項目為航天飛行儀器性能保證的一些重要的技術參數。

極溫熱震和振動測試可以向設計人員保證：電接觸件在發射和突然受到溫度沖擊時能夠保持電接觸完好無損，不受影響。利用低質量、直接安裝的硬件設計的納小型連接器大大地超過了大多數應用領域所規定的技術要求。近年來，在專用槍發射的模塊中試驗的表面安裝連接器(SMC)和通過航天試驗離心機測試都很好地反映這一點。

表4 航天鑒定的關鍵試驗

5 航天試驗離心機和沖擊測試

上述連接器在±X、±Y和±Z軸方向都通過了22000g沖擊試驗，然后再從一個口徑為8英寸的專用槍中發射出其它類似的裝置，使之經受X軸向18000g沖擊試驗，試驗時間為13-17毫秒。試驗結果表明，這種連接器在測試之后其工作性能完好無損，沒有出現電流瞬斷現象，從而也證明了其牢固的穩定性。這一試驗環境超過了大多數航天系統更具挑戰性的實際應用條件。

用于航天工業的納小型連接器其最后一項測試始終是讓產品在深空中進行實際性能測試。所測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數據的互連器件。

6 納小型連接器外形結構

納小型連接器接觸件的結構參見圖4。從圖中我們看出導線定位銷的位置以及嚙合微凹孔的細部特征。嵌入模塑矩形外殼內的插針和插孔的線性校準也增強了其抗振的穩定性。目前，這種接觸件構造已經申請了美國專利(其專利號為5254022、5385492)。

圖4 納小型接觸件系統

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踐證明。

圖5 各種納米連接器外形構造

表5 納小型航天連接器的標準規范

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

7 納小型連接器的應用

納小型連接器開始主要是應用于傳感器元件到控制裝置和傳輸系統之間的互連。然而，隨著其可靠性在實際應用中逐漸得到驗證，納小型連接器現在已經廣泛應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綜復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鏡中的攝像機和光譜分析儀互連器件、杜瓦真空瓶電子器件、太空陀螺儀、航天發射機器人系統、THAAD電路以及太空站探測裝置和傳感器。這一特定應用之所以能夠進一步拓展許多分析和探測系統性能主要在于便攜式熱氣體分析儀(TGA)和光譜分析儀的開發。

8 未來的航天連接器

航天用標準納小型互連器件的開發非常適用于航天工業的發展趨勢，但更高速度的推動力則來自模擬和數字領域。為了滿足這一需求，人們開發出一種帶有新型屏蔽層的互連器件，以進一步拓展了信號性能的適用范圍。設計開始采用標準的納米微型插針和插孔組件，應用實踐證明了它在太空應用中的可靠性，然后再給屏蔽層-屏蔽層連接器添加一個360°外層環形金屬接口。

外部屏蔽連接首先插合，然后是信號插合工序。新型同軸互連器件的尺寸利用最大為30AWG同軸導線(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，其間距擴大。而混合信號結構似乎很適合于許多航天信號的監控應用領域。

圖7 標準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/插孔組件的標稱阻抗為42Ω，其信號接觸電阻在0.003Ω～ 0.008Ω之間。高頻的初次測量通過一個H.P. 8753網絡分析儀來完成。其性能高達2GHz，衰減量小于1.8 dB。

這一新型納小型軸向互連系統利用本文前面所列的所有材料，并進行設計以滿足航天應用領域的需要。設計因素包括較小直徑的同軸線纜與納米級連接器外殼新尺寸的配合問題。對于降低反射，提高連接器系統的頻寬來說，這一點必不可少。

9 結束語

實踐證明，用于航天電子系統的納小型連接器技術已經超出了人們預期的可靠性以及性能要求。它們在減小許多航天電子系統模塊互連器件的尺寸和重量方面也是行之有效的。由于體積和質量的大幅度減小，其質量/力的效果也得到了明顯的改善。隨著其電流強度要求的降低，其信號保持了較高的完整性，而其傳輸速度卻進一步增大。增加納米微型屏蔽互連同軸線纜之后，航天電子器件將會繼續減小其體積，而增大其技術有效負載。太空探測裝置也將會進一步增大其數據采集的能力，太空機器人的機動靈活性將會因此進一步增大，而交互式信號系統的速度和容量也將會隨之飛速上升，而其成本卻不會隨體積和重量的變化而增加。

[1] 劉寶糧 吳世湘. 面向宇航/軍事應用的納小型連接器透視. 2006 年中國電子學會第十四屆電子元件學術年會論文集.

[2] 伍克軍 李達耀等. 納米衛星微型連接器結構與工藝設計. 儀器儀表學報，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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