介绍一种新一代航天用纳小型连接器

闻春国 译

(四川华丰企业集团有限公司，四川绵阳，621000)

综述与简介

介绍一种新一代航天用纳小型连接器

闻春国 译

(四川华丰企业集团有限公司，四川绵阳，621000)

随着复杂的电路芯片在印制板和模块中的集成度越来越高，航天航空电子系统在设备性能方面的作用也越来越大。而新型数字电子系统越来越要求传输信号的导线和连接器的体积可以大幅度减小。这也导致其密度的大幅增加，以及所占用体积和重量的进一步减小。于是，一种体积和重量比传统的微型连接器小10倍的新一代纳小型航天连接器便应运而生了，并由此推动着航天航空工业的发展。本文将介绍这种新一代0.025英寸间距的纳米连接器，简单介绍其尺寸、重量和互连方法，包括插针、插孔设计以及热震、振动方面的技术要求。试验数据表明，这种连接器已经通过了高达22000g的冲击试验，并满足航天释气和热偏移要求。本文通过X射线图、横截面图和产品图片方式介绍了连接器结构，并介绍纳米连接器的一些应用领域如太空机器人、运动控制系统、传感器和监测器以及航天级导线和柔性互连电路。用于带有超微型同轴和EMI保护功能的甚高速电子产品的更先进的连接器也将在文中有所涉猎。

纳小型连接器；D小型连接器；插针/插孔；航天工业

1 引言

随着小型卫星、深空探索和高数值电子仪器装置新时代的到来，人们对航天飞行器上更为复杂的集成电路、电子数据采集系统和大容量处理器的需求量日益增大。美国航天局(NASA)逐渐将接触件密度向微型模块化方向推进。数字式电子元件随着模块-模块之间互连数量的增大而逐渐受到市场的亲睐。由此可见，D小型连接器正在逐步让位于纳小型互连器件。实践证明，纳小型连接器在许多航天应用领域已经以其优越的性能逐渐巩固其突出的优势地位。

2 纳小型互连器件

纳米连接器(Nano-miniature Connector)又称纳小型连接器，其插针和插孔采用的间距为0.025英寸，而传统D小型连接器则采用0.05英寸间距。这使得纳米连接器插针和壳体的长度大大缩短，形成了一个体积为0.014英寸3的标准型25位纳米连接器。它比传统D小型连接器体积小了10倍。我们发现，将两个标准的纳小型连接器和传统D小型连接器25位的插座进行比较，其重量也由3.2克大幅度地降到0.39克。这一外形尺寸和重量上的大幅减小也为印制板设计和满足其重量目标上提供了许多优势条件，反过来也降低了航天器的发射成本。

图1 纳小型连接器(上)与间距为0.05英寸的D小型连接器(下)外观对比

从外形上看，纳小型连接器(0.025英寸中心距)与微小型(即传统的D小型)连接器(0.05英寸中心矩)系统的尺寸差别相当之大，从表1的对比可以看得出来。

表1 纳小型连接器与微小型连接器尺寸区别(%)

3 纳小型连接器的结构

铍铜镀金无缝插针和插孔用作纳小型连接器的接触件，而插孔实际上是接触件的有源元件。位于管状插孔一端的微凹则提供了必要的弹性作用，以保证插头中的插针在插入插座时可以形成一个较大的接触面积。45密耳的触点超程可以使镀金插孔管状内侧的接触电阻保持在0.003Ω～0.008Ω范围以内。镀金插针直径为0.0125英寸，采用无缝管状结构，其一端为实心。管状插针和插孔元件的性能超过了标准的航天振动要求，而且没有出现采用过去裂口式插针连接器时所常见的正弦波共振现象。

选择适当的材料，采用适当的加工方法可以确保航天飞行中具有非常高的性能参数，并进一步保证接触件的可靠性。互连器件的引线或引线框采用硬压接方式端接到插针和插孔背后的开口端。连接器的主体外壳部分为金属铝或不锈钢制成，然后再加上一层注塑模绝缘体聚苯硫醚(PPS)。PPS具有非常优良的机械和电气特性，完全通过NASA的外部太空电子元件低释气规范要求，然后再将压接的插针和插孔插入PPS绝缘体中，并且其后部采用航天级环氧树脂进行封装。这一压接-刺穿方法已经被航天工业证明是一种非常可靠的工艺方法。

纳小型连接器插针和插孔小型化的一个突破是所谓的“性别颠倒”，即让插针成为弹性件，并将置于保护用的绝缘体内，同时将其固定于插合的插孔接触件的捕获半径内。暴露的管状插孔的牢靠性大大高于直径较小的插合插针。

图2 横截面插合的纳小型连接器

图3 用于PC机安装的带有90°弯头的纳小型连接器的X射线图

表2 航天连接器的材料测试

表3 各种材料的性能

由表3可知，纯金属、Au和Cu的强度和弹性是很低的，即使导电性好，作为连接器也是难以应用的。在这种状态下，当插拔一次后就可能不再接触，可能起不到导电作用。铍青铜的合性能是很好的，可以选用。此外，已用Ni-Co-Al弹性合金做这种器件，其性能与所列的恒弹性金相近。

人们经常采用横截面分析和电性能测试来监测连接器的压接质量。利用间歇式X射线图像来支持封装组件的质量保证体系。开发深空系统的关键在于其裕度设计。连接器的性能必须能够满足多次发射、地球同步轨道运行任务以及航天系统暴露在太阳辐射和月球高寒环境下在10秒内所产生的几千次热循环要求。太空机器人以及连接到传感器的柔性互连器件的设计和测试必须做到在这些条件下的长期试验过程中以及试验之后都能保证其性能要求。许多航天计划从测试到建立规范标准的整个成本风险约束体制下不失为一种顺理成章的选择。裕度设计和质量保证体系保证应该遵从适用于航天条件的美国航天局(NASA)和美军标(MIL)类标准规范。

4 航天应用鉴定测试

美国一家纳小型连接器供应商提交了一种0.025英寸间距的连接器，要求对其进行MIL-C-83513测试和航天计划应用测试，以鉴定这种纳小型连接器是否满足NASA航天飞行要求。下表中的测试项目为航天飞行仪器性能保证的一些重要的技术参数。

极温热震和振动测试可以向设计人员保证：电接触件在发射和突然受到温度冲击时能够保持电接触完好无损，不受影响。利用低质量、直接安装的硬件设计的纳小型连接器大大地超过了大多数应用领域所规定的技术要求。近年来，在专用枪发射的模块中试验的表面安装连接器(SMC)和通过航天试验离心机测试都很好地反映这一点。

表4 航天鉴定的关键试验

5 航天试验离心机和冲击测试

上述连接器在±X、±Y和±Z轴方向都通过了22000g冲击试验，然后再从一个口径为8英寸的专用枪中发射出其它类似的装置，使之经受X轴向18000g冲击试验，试验时间为13-17毫秒。试验结果表明，这种连接器在测试之后其工作性能完好无损，没有出现电流瞬断现象，从而也证明了其牢固的稳定性。这一试验环境超过了大多数航天系统更具挑战性的实际应用条件。

用于航天工业的纳小型连接器其最后一项测试始终是让产品在深空中进行实际性能测试。所测试的纳小型连接器建议最好选择那些具有很高成功记录和良好的试验数据的互连器件。

6 纳小型连接器外形结构

纳小型连接器接触件的结构参见图4。从图中我们看出导线定位销的位置以及啮合微凹孔的细部特征。嵌入模塑矩形外壳内的插针和插孔的线性校准也增强了其抗振的稳定性。目前，这种接触件构造已经申请了美国专利(其专利号为5254022、5385492)。

图4 纳小型接触件系统

高密度模块的安装方法要求微型接口能够插入紧凑的角落里或者安装在边缘上，也可以直接采用板-板间的接口插入。新一代纳小型连接器提供了垂直-垂直或水平-垂直盲插式接口器件，从而进一步减小了模块的尺寸。穿孔式和SMT型纳小型连接器在航天飞行中均得到了广泛的实践证明。

图5 各种纳米连接器外形构造

表5 纳小型航天连接器的标准规范

连接器的互连接口可以采用30 AWG(或更小)、绝缘导线，也可以在航天应用领域中采用插针-压接方法的聚亚酰胺柔性电路来完成。

7 纳小型连接器的应用

纳小型连接器开始主要是应用于传感器元件到控制装置和传输系统之间的互连。然而，随着其可靠性在实际应用中逐渐得到验证，纳小型连接器现在已经广泛应用于可以采用电路叠合以及柔性层叠的新型微型模块板中，这样就可以将它装配到错综复杂的较小的外形和空间中。

图6 带有纳米连接器的AFM模块

采用纳小型连接器的航天电子器件主要包括哈勃太空望远镜中的摄像机和光谱分析仪互连器件、杜瓦真空瓶电子器件、太空陀螺仪、航天发射机器人系统、THAAD电路以及太空站探测装置和传感器。这一特定应用之所以能够进一步拓展许多分析和探测系统性能主要在于便携式热气体分析仪(TGA)和光谱分析仪的开发。

8 未来的航天连接器

航天用标准纳小型互连器件的开发非常适用于航天工业的发展趋势，但更高速度的推动力则来自模拟和数字领域。为了满足这一需求，人们开发出一种带有新型屏蔽层的互连器件，以进一步拓展了信号性能的适用范围。设计开始采用标准的纳米微型插针和插孔组件，应用实践证明了它在太空应用中的可靠性，然后再给屏蔽层-屏蔽层连接器添加一个360°外层环形金属接口。

外部屏蔽连接首先插合，然后是信号插合工序。新型同轴互连器件的尺寸利用最大为30AWG同轴导线(其直径为0.058英寸)，并装入纳小型绝缘体中。尺寸较大的同轴器件要求约3位的0.025英寸纳小型连接器。这样，在装有同轴插针组件的地方，其间距扩大。而混合信号结构似乎很适合于许多航天信号的监控应用领域。

图7 标准BNC连接器及纳米同轴线缆

图8 配有32 AWG同轴线缆插针/插孔组件

这种同轴线缆插针/插孔组件的标称阻抗为42Ω，其信号接触电阻在0.003Ω～ 0.008Ω之间。高频的初次测量通过一个H.P. 8753网络分析仪来完成。其性能高达2GHz，衰减量小于1.8 dB。

这一新型纳小型轴向互连系统利用本文前面所列的所有材料，并进行设计以满足航天应用领域的需要。设计因素包括较小直径的同轴线缆与纳米级连接器外壳新尺寸的配合问题。对于降低反射，提高连接器系统的频宽来说，这一点必不可少。

9 结束语

实践证明，用于航天电子系统的纳小型连接器技术已经超出了人们预期的可靠性以及性能要求。它们在减小许多航天电子系统模块互连器件的尺寸和重量方面也是行之有效的。由于体积和质量的大幅度减小，其质量/力的效果也得到了明显的改善。随着其电流强度要求的降低，其信号保持了较高的完整性，而其传输速度却进一步增大。增加纳米微型屏蔽互连同轴线缆之后，航天电子器件将会继续减小其体积，而增大其技术有效负载。太空探测装置也将会进一步增大其数据采集的能力，太空机器人的机动灵活性将会因此进一步增大，而交互式信号系统的速度和容量也将会随之飞速上升，而其成本却不会随体积和重量的变化而增加。

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2015-08-13

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.05.012

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1000-6133(2015)05-0047-05