連接器是我們電子工程技術人員經常接觸的一種部件。它的作用非常單純:在電路內被阻斷處或孤立不通的電路之間,架起溝通的橋梁,從而使電流流通,使電路實現(xiàn)預定的功能。連接器是電子設備中不可缺少的部件,順著電流流通的通路觀察,你總會發(fā)現(xiàn)有一個或多個連接器。連接器形式和結構是千變萬化的,隨著應用對象、頻率、功率、應用環(huán)境等不同,有各種不同形式的連接器。例如,球場上點燈用的連接器和硬盤驅動器的連接器,以及點燃火箭的連接器是大不相同的。但是無論什么樣的連接器,都要保證電流順暢連續(xù)和可靠地流通。就泛指而言,連接器所接通的不僅僅限于電流,在光電子技術迅猛發(fā)展的今天,光纖系統(tǒng)中,傳遞信號的載體是光,玻璃和塑料代替了普通電路中的導線,但是光信號通路中也使用連接器,它們的作用與電路連接器相同。由于我們只關心電路連接器,所以,本課程將緊密結合Molex公司的產品,集中介紹電路連接器及其應用。
2?為什么要使用連接器?
設想一下如果沒有連接器會是怎樣?這時電路之間要用連續(xù)的導體永久性地連接在 一起,例如電子裝置要連接在電源上,必須把連接導線兩端,與電子裝置及電源通過某種方法(例如焊接)固定接牢。這樣一來,無論對于生產還是使用,都帶來了諸多不便。以汽車電池為例。假定電池電纜被固定焊牢在電池上,汽車生產廠為安裝電池就增加了工作量,增加了生產時間和成本。電池損壞需要更換時,還要將汽車送到維修站,脫焊拆除舊的,再焊上新的,為此要付較多的人工費。有了連接器就可以免除許多麻煩,從商店買個新電池,斷開連接器,拆除舊電池,裝上新電池,重新接通連接器就可以了。這個簡單的例子說明了連接器的好處。它使設計和生產過程更方便、更靈活,降低了生產和維護成本。
連接器的好處
改善生產過程 連接器簡化電子產品的裝配過程。也簡化了批量生產過程;
易于維修 如果某電子元部件失效,裝有連接器時可以快速更換失效元部件;
便于升級 隨著技術進步,裝有連接器時可以更新元部件,用新的、更完善的元部件代替舊的提高設計的靈活性 使用連接器使工程師們在設計和集成新產品時,以及用元部件組成系統(tǒng)時,有更大的靈活性。
3?連接器的分類
多年來連接器的分類混亂,各個廠家自有其分類方法和標準。1989年在美國國家電子配銷商協(xié)會(NEDA,?即National Electronic Distributors Association縮寫,它是一個工業(yè)教育組織 )的支持下,生產連接器的幾大廠家會聚在一起,制訂了一部連接器分類標準和術語。Molex公司曾參加了制訂過程。NEDA標準?NEDA主持制訂的這個標準,稱為連接器部件分類等級(Levels of Packaging)。現(xiàn)摘要敘述于下表:
等級描 述
0 IC?芯片或芯片到封裝的連接器請注意第1個等級是?“0”?級,不是?“1”?級。此級實際上并不涉及連接。?0?級就是集成電路芯片。Molex公司不生產IC?芯片。但是生產把芯片連接到電路板的插座。
1 IC?組件或組件到(電路)板的連接器當IC芯片安裝在電路板的插座中時,就是1級連 接。
2?(印制)電路板(PCB)到(印制)電路板的連接器?2級連接器用于印制電路板之間的連接。.
3?導線到電路板或分組合到分組合的連接器?3級連接器連接印制電路板和分組合、或是連 接兩個分組合。分組合是電子產品的組成部分。依Molex公司的習慣, 3級也包括某些導 線到導線連接器。
4?機箱到機箱或輸入/輸出連接器4級連接器提供功率或信號連接。一般的經驗是:當連接涉及到音頻或視頻信號時,或是連接網絡和計算機時,要使用4級連接器。
關于上述連接器等級,需要注意如下幾點:
■ 某些連接器可以不止用于一個等級,例如3級連接器QF50及MX50都可以用于2級或4級。又如標稱為4級的Molex輸入/輸出用插頭、插座,也可以用于導線到電路板或板到板連接。
■ 實際工作中很少按照上述級別談及連接器,而是按照連接器的外觀形式和連接方式來討論它,如板到板和線到線等。級別是用于學習和分類連接器的。
4?連接器知名廠商
1999年世界排名前10名的連接器供銷廠商
Tyco (AMP/Thomas & Betts/Augat)
Molex
FCI/Berg
Foxconn (Hon Hai)
Amphenol
JST
Hirose
3M
ITT Cannon
JAE
二 連接器的組成和作用
導體與連接器 連接器的組成部分及術語?Molex座體使用的塑料 定位和鍵
1?導體與連接器
為了解電子互連部件的工作原理,需要知道一些有關導體的常識。當我們提到導體溝通了電路中的斷接處時,實際上是指連接器把兩個開路端連接在一起。電路是指整個電系統(tǒng),而導體是電流流通的實際通路。有時你常??床坏綄嶋H的導體,因為它被絕緣材料或介電材料包覆著。有了介電材料導體就可以平行排放,而且不會相互干擾。下面的表介紹常用導體。
連接器中使用的導體
導體應用
分立導線單根導線或電纜 廣泛用于多種電子設備;
雙絞線由兩根小號絕緣導線繞絞在一起,覆以外皮而組成的電纜。兩個導線通常良好絕緣。普通電話電纜和家用導線都是雙絞線。 也應用于計算機網絡電信;
同軸電纜它由直徑較小的銅導線(內導體)同軸地安放在直徑較大的外導體之內,兩者之間由介電體隔離和支撐。它們的最外面在包覆以絕緣材料。 應用于視頻;
帶狀電纜名稱源自于其外觀酷似絲帶。又稱為平面電纜。它是一組平行導體整體覆以絕緣材料組成的。導體有兩種形式,一種是圓形截面的導體,另一種是扁平柔性電纜(請看下面介紹)。應用于計算機和外設
印制電路板(PCB)PCB是在敷銅聚合板上,通過蝕刻加工,印制上電路。計算機和外設;
扁平柔性電纜/扁平平面電路?(FFC/FPC)?它與帶狀電纜類似,但導體是扁平的,不是圓形的。導體橫截面為矩形且極薄。辦公室設備,保安系統(tǒng),通信,自動售貨機;
纖維光纜光纖導體有許多種類和模式,但最常見的是玻璃、塑料包覆的硅石英或塑料,光通過它們傳導或傳輸。 高速數據傳輸,如計算機網絡和通信系統(tǒng);
2?連接器的組成部分及術語
本課介紹連接器的基本組成及有關術語。它們是:
■ 座體 (housing)
■ 底座 (header)
■ 接觸部份 (contacts)-端子和插針
■ 連接器用的金屬
■ 陽和陰
■ 鍍層
■ 鍵和定位
■ 電路標識
■ 線規(guī) (線號)
座體(housing)
連接器座體具有如下作用:■ 支撐接觸部份(插針、簧片等),使之牢固正確就位■?防塵、防污和防潮,保護接觸部份和導體?■?使電路彼此絕緣上圖畫出的連接器是直插式(in-line)連接器。直插式連接器的特點是導線從連接器的一半部份接入,從另一半接出。連接器的這兩部份分別稱為插頭(陽頭)和插座(陰座)。
底座(header)
安裝在印制電路板上的連接器,其所用的座體稱為底座(header),又稱基座(base)或片座(wafer)。Molex公司采用座體這個名稱。底座和座體的主要差別在于底座總是與電路引腳安裝在一起,而座體只是空殼。底座有兩種形式:有罩的和無罩的。護罩是指連接器的插針和插座,在交合部份周圍用座體或護裙作成的保護罩。底座還有摩擦鎖緊型(friction lock style)的,它是部份有罩的底座,但是具有鎖緊裝置,它使底座與座體的結合更可靠(見下圖)。
Molex生產的底座有許多形狀,最常用的是兩種形狀:直針(又稱垂直)和直角。底座的列數也可以不同,可以是單列插針的,也可以是多列插針的(見下圖)。
Molex座體使用的塑料
Molex的座體使用的塑料是熱塑性塑料,可以多次熔化和固化。Molex還收集塑造加工過程的剩余塑料,經粉碎再次利用。下面介紹Molex用于高溫環(huán)境的專用塑料。這種塑料具有優(yōu)異的耐高溫特性。用于表面貼焊安裝(SMT, surface mount method of termination)的連接器需要這種塑料。還有一種表面插焊安裝(SMC, surface mount compatible)的連接器。兩者的差別在于SMC把插針插入過孔后再焊接在PCB板上;而SMT利用焊腳貼焊在PCB板表面上。由于需要焊接,塑料必須能耐高溫。也就是說,表面安裝用的連接器座體,必須能夠承受高溫。(見下圖例)
SMT, SMC?和高溫塑料高溫聚酯座體?PCB板
利用SMC端接方法,把小型插合的線到板單列直角底座,裝接在PCB板上。利用SMT端接方法,把1.50 mm的連接器貼焊在PCB上。注意焊腳處。由于它非??拷w,所以用高溫塑料尼龍?Nylon 4/6?制造,能承受流動焊錫的燒燙。
下表中介紹Molex座體具體應用的塑料:
Molex座體使用的塑料
接觸部份(Contacts)
連接器中的接觸部分把要相連接的兩部份導體(或導線)結合在一起。結合后,電路就被接通,電流流過連接器。接觸部份有兩種主要類型:端子(terminal)和插針(pin)。實物的具體形狀則變化多端。下面出示了兩者的圖例。
端子 插針
端子(或插針)具有兩個端部:前端和后端。前端總是結合端,它同另一端子交合形成接觸。后端總是起端接作用,或是壓接或接連導線(導體)。
下表中摘要列出了Molex連接器接觸部份采用的金屬,以及它們各自的優(yōu)缺點。注意接觸部分所用的基體金屬中都有銅合金,借以保證良好的導電性、導熱性、機械性能和可工藝性。
鍍層
把連接器的接觸部份電鍍,是為了改善導電性、抗腐蝕和抗磨損性,提高可焊性。具有良好機械性能(如可成形性,彈性)的金屬,常常不具備優(yōu)良的導電性、抗腐蝕和抗磨損性以及可焊接性。Molex公司把這些金屬材料全部或有選擇地電鍍,以改善性能。下表摘要介紹Molex主要采用的鍍層金屬及其特性。
電路標識
因為連接器總是有許多的電路引腳,必須有辦法使用戶能夠正確認出電路的引腳號碼。下圖介紹兩種常用的電路引腳號碼識別方法。
左側的座體用一個三角形指明電路引腳計號起點。此方法非常通用。右側的座體用標注電路引腳具體編號“1”指明計號起點。
]]>日本的一組研究人員將這一想法發(fā)揮到了極致,他們發(fā)明了一種超導微處理器MANA——它是一種電阻為零的微處理器,也是世界上第一個絕熱超導體微處理器。上個月發(fā)表在IEEE《固體電路》(Solid-State Circuits)雜志上的一項研究描述了這種新型設備,這是同類設備中的第一個。
導體微處理器為提高計算效率提供了一種潛在的解決方案,但事實上,目前這些設計需要10開爾文(或-263攝氏度)以下的超冷溫度。日本的研究小組試圖創(chuàng)造一種絕熱的超導體微處理器,這意味著,原則上,在計算過程中,能量不會從系統(tǒng)中獲得或損失。
它由超導鈮組成,并依賴于被稱為絕熱量子通量參數器(AQFPs)的硬件組件。每個AQFP由幾個快速作用的約瑟夫森結開關組成,這些開關只需要很少的能量就可以支持超導體電子。MANA微處理器總共由2萬多個約瑟夫森結(或1萬多個AQFP)組成。
克里斯托弗·阿亞拉(Christopher Ayala)是日本橫濱國立大學高級科學研究所的副教授,他幫助開發(fā)了這種新型微處理器。他解釋說:“用于制造微處理器的AQFPs經過了優(yōu)化,可以絕熱運行,這樣在時鐘頻率相對較低(約10ghz)的情況下,從電源中提取的能量可以被恢復?!薄芭c傳統(tǒng)超導體電子器件中數百千赫茲的頻率相比,這個頻率要低得多?!?/p>
然而,這并不意味著他們的新一代設備達到了10ghz的速度。在一份新聞聲明中,Ayala補充道:“我們還在一個單獨的芯片上展示了微處理器的數據處理部分可以工作在2.5 GHz的時鐘頻率上,這與當今的計算技術相當。我們甚至預計,隨著我們對設計方法和實驗裝置的改進,這一頻率將增加到5- 10ghz?!?/p>
由于MANA微處理器需要液態(tài)氦水平的溫度,它更適合于數據中心和超級計算機等大型計算基礎設施,在這些地方可以使用低溫冷卻系統(tǒng)
]]>圖片來源:東京大學)
為了開發(fā)自旋電子器件,需要設計新材料,以利用生活中尚未發(fā)現(xiàn)的量子行為。你可能很熟悉導體和絕緣體,它們分別傳導或限制電子流動。半導體也很常見,它們通常是絕緣的,但在某些情況下會導電,由此成為理想的微型開關。
在自旋電子學應用中,需要使用一種名為拓撲絕緣體的新型電子材料。與其他三種材料不同,這種材料整體絕緣,只沿表面導電。它并不傳導電子流,而是電子的自旋或角動量。眾所周知,這種自旋電流可能成為打開新世界的鑰匙,用于制造超高速和低功耗設備。
然而,拓撲絕緣體的性能并不是完全一致,比如強弱之分,當然也存在一些缺點。比如,在沿著整個表面?zhèn)鲗ё孕龝r,參與電子往往會發(fā)生散射,從而削弱其傳遞自旋電流的能力。最近,東京大學固態(tài)物理研究所的研究團隊首次研制出一種高階拓撲絕緣體。這是第三種拓撲絕緣體,自2017年已出現(xiàn)相關理論。Takeshi Kondo教授表示:“我們用鉍元素制造了一種高階拓撲絕緣體,可以只沿著拐角邊緣傳導自旋電流,基本呈一維線。由于自旋電流是一維的,而非二維,所以電子不會散射,使其保持穩(wěn)定。
為了開發(fā)這種三維晶體,Kondo及其團隊以某種方式將單原子厚度二維晶體片堆疊在一起。無論強或弱拓撲絕緣體,堆疊晶片均沿相同方向排列。然而,為了構建高階拓撲絕緣體,晶片的方向交替出現(xiàn),如同正反面相對的撲克牌。這種微妙的排列變化,使所開發(fā)出的三維晶體發(fā)生巨大變化。
堆疊晶片通過名為范德華力(van der Waals force)的量子力聚在一起。這是罕見的量子現(xiàn)象之一,在晶體中將各層粘合在一起。在一定程度上,可以解釋粉末材料為何聚集在一起,并以其方式流動。Kondo表示:“拓撲性質的出現(xiàn)和消失,僅僅取決于二維原子片的堆疊方式,這一點發(fā)現(xiàn)讓人感到興奮。這讓材料設計更加自由,將帶來新的想法,如快速高效的自旋電子器件等應用?!?/p> ]]>
這個新的微處理器原型稱為MANA(單絕熱集成體系結構),是世界上第一個絕熱超導體微處理器。它由超導鈮組成,并依賴于稱為絕熱量子通量參量電子(AQFP)的硬件組件。每個AQFP由幾個快速作用的約瑟夫森結開關組成,這些結開關只需很少的能量即可支持超導體電子設備。MANA微處理器總共由2萬多個約瑟夫森結(或1萬多個AQFP)組成。
研究人員解釋說,用于構建微處理器的AQFP已經過優(yōu)化,可以絕熱運行,從而可在相對低的時鐘頻率(高達10GHz左右)下恢復從電源中汲取的能量。與傳統(tǒng)超導電子產品數百吉赫茲的運行頻率相比,這個數字要低得多。但這并不意味著MANA達到了10GHz的速度。實驗顯示,MANA的數據處理部分可在高達2.5GHz的時鐘頻率下運行,這使其與當今的計算技術相當。
這種鈮基微處理器的入門價格取決于低溫和將系統(tǒng)冷卻至超導溫度的能源成本。不過,即使將冷卻成本計算在內,與最先進的半導體電子設備(如7納米鰭式場效應晶體管)相比,AQFP的能源效率仍然高出約80倍。由于MANA微處理器需要液氦水平的低溫,因此它更適合于使用低溫冷卻系統(tǒng)的大規(guī)模計算基礎架構,例如數據中心和超級計算機。
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