连接器设计手册（第五章）—连接器用工程热塑性材料

对于理解关于一特定连接器所使用的塑胶而作出的恰当的选择，了解聚合物的结构常识是必要的。从一个微观观点来考虑，聚合物可画分为两类：无定型聚合物和晶质聚合物。

1.1 非晶体聚合物

非晶体聚合物由聚合物内链组成，这些内链以一个随机无序的形式排列。在这里把它们看作为一碗意大利面条，如图1所示。相对晶体聚合物，非晶体聚合物被认为有更宽的熔解范围、更低的收缩率、更低的warpage和更低的流动性。它们具有良好的延展性、抗冲击强度及尺寸稳定性。这些原料包括了非晶体聚合物范围，且它们所拥有的大量物理和机械性能，具有很强的温度依赖性。低温时，非晶体聚合物是玻璃质的，坚硬但易碎。随着温度的增加，非晶体聚合物超过了自身玻璃质转换温度Tg，加热到该温度时，聚合物结构转向橡胶质(在冷却时，转化为玻璃质)。在Tg温度上，聚合物将失去明显的自身所有的机械性能，如图5.2所示，in modulus shown 这些性能会急剧下降。因此，当以非晶体聚合物原料来设计连接器时，考虑大致的使用温度是首要的。关于非晶体聚合物有聚苯乙烯和聚碳酸酯等

1.2 晶体聚合物

通常所说的晶体聚合物指半晶体聚合物并包括晶体、非晶体聚合物范畴，而非晶体聚合物只包括非晶体聚合物。晶体聚合物被推断以图5.3所示结构有序的排列。随着早期的推断。晶体聚合物被想象成一碗混合了煮熟的和直硬未熟的意大利面条。这种有序通常是由于聚合物内链有这样一个结构，可让它们排成直线并聚集形成晶体范围。直线型态由这样的几何特征而来，并被在聚合物内链间形成的低能量化合物所保持这些低能量化合物如氢合物等。中间链的结合依靠内链长(即分子量)，这就是为什么分子量是如此重要的塑胶原料参数的原因。塑胶原料里晶体的百分比由聚合物类型(化学组成)所决定，它也影响着内链主链的柔韧性，和能促进结晶的可能的内链反应。例如：尼龙内链有能力形成氢合物，因此在聚合物内促进了结晶。聚酯也能形成氢合物，并影响构成聚合物内链的化学单元长度，因此促进了结晶。

晶体聚合物sharper 熔点和玻璃质转化温度，比起无定型聚合物具有更高的系数和抗拉强度。尽管它们的抗冲击性能低于那些非晶体聚合物，但通常认为晶体聚合物具有良好的化学抗蚀力。

在熔融状态，晶体聚合物也是非晶体的；也就是说，聚合物内链以随机的方向排列。但随着熔液的冷却，内链开始直线排列并形成晶体聚合物。直线型式可促使先前提到的系数和化学抗蚀力的加强。

通常，原料晶体的性质能对连接器元件的制程和物理性能施加一个可预测的影响。随着成型过程所使用的成型方法及添加进基体塑胶的化合物的变化，晶体也随之变化。随着晶体百分比的增加，机械性能也增强。图5.4表示了一典型的应力－应变曲线。当晶体增加时，如前叙，随晶体百分比的增长，屈服点和主要的强度会提高。被作为一种衡量硬度的尺度的弹性的模量(应力对应应的比率)也在增加，但晶体的增长通常会造成原料韧性的下降。而内链的直线排列和前述的中间链聚合，引起了机械性能的提高。在聚合物的机械性能上，晶体的增长具有明显的影响。晶体聚合物主要有乙烯聚合物的氯化物（PVC），尼龙和聚酯，例如：聚乙稀、对苯二酸盐（PET）和聚丁烯（PBF）。

现在这将有助于详细调查一些使用频率很高的连接器原料。这些原料将根据它们是否属于晶体或非晶体聚合物而划分为两大类。

2.1 非晶体聚合物

丙烯晴－丁二烯－苯乙烯（ABS）　ABS由一系列的有时被用于低要求连接器运用场合的配方构成。尽管ABS具有良好的冲击性能，并且相对比较便宜，但它对有机溶剂几乎没有抵抗力，一经暴露在这类环境下，它就会变脆。ABS也不具有长期的热稳定性。ABS也不具有长期在高温环境中的使用性能，因此不能适用于一些高要求的连接器运用场合。ABS还具有良好的机械性能、热和化学的抵抗力、良好的耐久性、高冲击强度及磨损抵抗力。

聚碳酸盐酯（PC）　PC是具有良好尺寸稳定性和冲击强度的非晶体聚合物。当运用上需要时，它的透明也很有价值。PC 也具有相对较高的加热性能和1500度的热变形的温度。但它不具备良好的化学抗蚀力，而且在有机溶剂中可能会被裂解。它具有良好的电性能，本质上是自衰的。PC和其它合成橡胶、热塑性聚乙烯、ABS磺化聚合物混合的特性是可利用的，并可提供改善的低温韧性和制程性能。

Polyphenylene（PPO）　由于处理和成型简单聚合物的困难，PPO典型被用在改变混合形式上。连接器场合上大部分的混合是随高冲击强度的聚苯乙烯（HIPS）或尼龙而变化，并是玻璃质增强的。这些混合能阻燃以达到UL 94-VO易燃品表单要求。PPO和它的混合物具有良好的温度系数和一定的化学抗蚀力（它对酸性和碱性环境具有良好的抵抗力，但会溶解一些芳香醇和氯化溶剂）。在一个大范围的湿度和温度条件下，该等聚合物具有低的吸水率和良好的电气性能。然而，PPO不具有类似聚乙烯的良好的流动性，故无法使用在薄壁连接器上。

聚眠甲烷　市场上有许多价格与性能差异很大的聚眠甲烷。这些原料具有良好的加热性能尺寸稳定性能，但是对有机溶剂几乎没有抵抗力，尤其是对氯化的碳化氢。它们具有高的受热斜向温度、良好的尺寸稳定性、良好的爬行阻抗及好的电性连接性能。聚眠甲烷本身具有良好的阻燃性，并具有相对较高的受热性能。

Polyetherimide(PEI)　PEI是一种高温非晶体原料。它通常用在需要较高受热阻抗或尺寸稳定性条件下。它具有符合UL94-VO的阻燃系数。PEI是一种高稳定的聚合物，它可以被研磨及通过复合途径使用。它具有良好的UV和γ射线阻抗。在沸水中浸泡10，000小时后它还能保持85%的拉伸强度。在不同温度、湿度、频率条件下，PEI具有良好的电气性能。它的散布对于微波是透明的。对于波峰焊和气焊制程的PEI的阻抗也是通用的，这使它特别在电性运用上引人注意。PEI主要的不利因素在于它的成本很高、制程温度高、流动性差。

Polyether ketone(PEK)　PEK是一种相当贵的原料，它被用于高温场合。该原料由于固有的磨损和疲劳阻抗而具有良好的化学性能和抗腐蚀性能。只有浓缩无水的或是强酸才能对它起作用。酮唯一可溶于酸。它们对于热水分解具有很高的抵抗力。酮有时也会发生翘曲，这可以被铸造克服。酮类聚合物具有高达3000度的熔点。它们具有低烟率并在整洁环境里通过了UL的94-VO的测试。酮类聚合物是具有一定韧性、强度、硬度和高冲击强度和负载承受能力的。酮类聚合物会受UV的影响，但在一个大的温度范围里对α、β、γ射线具有高的抵抗力。

2.2　晶体聚合物

Polyoxymethylenes（缩醛）　缩醛是具有良好流动性和类似对有机溶剂的化学抵抗力一样好的制程性能的半晶体聚合物，但它们当暴露于强酸作用下时，会发生退化。缩醛固有的缺点是不具有阻燃性，因此它们在使用上受到限制。缩醛具有在长时期大范围里保持良好的机械、化学、电子性能结合的能力。它们对承受负载和疲劳具有良好的抵抗力。对于在2000度高温下使用，也具有较高的热抵抗力，并具有很好的水稳定性。这些塑胶是坚硬的、牢固的和具有良好韧性的。

聚乙烯　在电子工业领域，有许多原料是聚合物内链的酯结合，因此都属于工程塑胶的聚乙烯家族。许多标准连接器由聚乙烯组成是因为它能提供良好的流动性、很光滑并具有良好的溶解抵抗力。这些原料主要是PBT、PET和PCT。选择这些玻璃增强剂的性能被纳归纳在表5.1中。简单的树脂不同于化学合成的，故也由于该不同而造成具有不同的性能 ，如表5.2中所示。基于用来制造不同聚合物的单体，聚合物的内链会被改变。结构的不同会影响到化学性能、熔点(Tm)、晶体百分比和其它一些性能。晶体的变化会在物理性能、化学抵抗力和其它一些原料的重要性能上产生很大的影响。聚乙烯的半晶体原料，很容易在成型时收缩。

* Eastman Chemicals reports a avlue between 1 and 2 percent for the GE material.The vaule cited by GE Plastic is not consistent with the trends in other properties.

Source: GE Plastics and Eastman Chemicals product literature.

PBT具有良好的化学阻抗性能，此外还具有不受湿度影响的电气性能。它也不受水、弱酸及其通用有机溶剂的影响。

PET具有高的强度、韧性、尺寸稳定性、化学和热抵抗力及其一些其它的性能。它PBT对水和制程中的水的百分比更敏感，这会导致成型聚合物的退化。不填充PET的成型收缩率是2%，但当加入30%的纤维添加剂后，收缩率只有0.1%到0.3%。

PCT具有285度的熔点，相对PBT的225度和PET的255度，更高的温度阻抗使它更易于在表面安装电子元件。PCT主要的缺点是它的制程窗口由于很小的熔解和退化温度跨距而很狭窄。但它也有很好的物理、化学、电子、机械和热性能。

PBT比PET和PCT更牢固。当SMT不成为问题时，良好的流动性和牢固的晶体使PBT聚合物用在很多连接器上。这实质上是允许更快的循环时间，因为它能更快地填充模具并成型。PET是低晶体并因此导致更长的成型时间，这会延长循环周期。PCT具有和PBT大致相当的晶体百分比，但更慢的晶体化过程而导致更慢的循环周期。PET和PCT型由于它们的高熔点而需要更高的成型温度。这类聚乙烯通常被用作绝缘原料，而且受所需的化学抗蚀力、温度决定，并且PBT在使用中占很大比重。

Polyphenylene sulfide（PPS）　PPS是具有良好流动性和受热能力的半晶体聚合物。它具有良好的流动制程性能并能填充复杂连接器设计的薄壁部分。大部分的PPS原料和混合物是下班露出增强剂，这是因为它的简单构造。它在成型中不易碎并不会闪光。PPS通常用在需要高温的PCT上。PPS固有阻燃性，但它的价格限制了它的使用。PPS被UL 94-VO评定过。当玻璃纤维增强后，PPS可持续使用在2000度的的温度等级里。PPS在大的温度和湿度范围里也具有很好的电气性能。

Polyamide（PA）　PA最常见的是尼龙，可以有很多种。依靠所使用的单体，原料在性能和成本上有很大的变化。表5.3和表5.4中分别提出了选择简单和填充尼龙树脂的性能 。大部分尼龙是半晶体聚合物。尼龙能够随使用的添加剂和混合物的不同而发生很大的原料性能变化。尼龙的流动性也会发生变化，因此能被用在各种需要高强度和系数的场合。但是通常尼龙需要添加添加剂和强度添加剂。尼龙具有良好的韧性和水解稳定性。它们具有长期老化性能但不具有阻燃性。使用尼龙的缺点是收湿性；它所吸收的湿气会随温度和湿度的变化而发生变化，因而会导致聚合物矩阵的延伸。但通过烘干，条件是可逆的。由于这个原因，一些PA不适合应用于要求三维尺寸稳定性的场合中。吸湿性也影响了一些性能，例如它增加了翘曲和冲击强度但减少了拉伸强度。聚合物的电气性能对于湿气和增加了水分后的变质很敏感。尼龙对于烃和芳香族化合物具有很强的化学抵抗力，但受强酸、碱、酚的影响。在一定的持续时间和暴露强度下，提高温度和超声波照射(UV)都将使尼龙退化。

Table 5.3  Selected Properties of Various Neat Nylons

* Dry as molded

Source: DuPont, DSM, Amoco Performance Products trade literature.

液晶聚合物（LCP）  液晶聚合物包括大量的树脂，树脂在熔解和固体时其结构均显示出了很高的硬度，在薄的部分也是这样。它们同样显示了较高的温度稳定性和化学抵抗性能。用于连接器工业中的液晶聚合物通常为含酯类酸的聚脂类液晶聚合物材料。液晶聚合物具有很好的机械和热性能同时还具有较好的流动性。因此它们用于薄壁应用中。如果连接器上端子之间的距离很小时就应该考虑使用LCP，因为LCP的流动性比PPS的要好四至五倍。在流动方向上的塑造收缩只有千分之一英吋的大小。LCP可归为改善的热塑性塑料一类，在表面安装的应用中其比PBT在制造薄壁型产品的时候具有更好的性能。

液晶聚合物受基于外来芳香族化合物而导致较高的各向异性的形态的影响。这种化学作用的影响将使材料的价格的升高。为降低成本LCP常与其它一些的低成本的材料相混合使用，如人造树脂、添加剂以及玻璃纤维。LCP与PPS相混合使用的第一个商业目的是可降低LCP的成本以及减少PPS的闪光。液晶聚合物的性质特征为低溶解粘性，良好的拉伸性，具有压缩力以及弯曲系数值；以及非常好的化学，辐射，及热稳定性。图表5.5中显示了LCP的选择性有代表的性能参数值。

如图5.6所示，基于其化学性LCP可分为三类。与熔解温度特性相应的是其最显著的特征是HDT。LCP极具竟争力的一个优点是其快速出模和制造薄壁产品而不留毛边的性质。此类材料具有经受高温处理和长时间处于升温的状态。

在LCP材料中也存在如下的缺点，它们的各向异性将导致出现横向应力，并且将导致部分的warpage 。这些问题可通过增加添加剂来改善。结晶同样会出现在此类材料中，这样将会减少前端流动熔合的时间。这样将导致焊接线强度较差，但是这种问题也可通过控制成型过程和加工工具设计来加以控制。由于未充满的LCP具有各向异性，为了加强其在电子方面的应用，通常在其中加入30%到50%的玻璃纤维。高熔解温度在300℃范围内，高系数会对波动，蒸汽阶段以及红外线焊接条件产生影响。LCPs有UL 94-VO的阻燃率，以及在燃烧时不会产生烟雾。其对酸的以及稀释碱，有机溶剂化学抵抗力非常好。强碱如氢氧化钠和胺将会使LCPs到一个加高的温度。

LCPs在连接器市场上能有一席之地是因为有两个重要的因素：设计上的小型化和在自动生产过程中的高生产率。近年来的趋势是具有更高生产率的表面粘着技术，其经济性允许使用高成本的LCP材料。

2.3 热固性聚合物

为了更完整的叙述接下来便是热固性聚合物。热固性聚合物从熔解状态到冷却状态因此不能被软化或再加热以用于其它目的。因此它们只能提供较为有限的机会在再研磨用的过程中。在化学上热固性树脂在处理中要经历一个交叉连接的反应过程，以产生一个固定的分子间的网络结构。热固性材料在交叉连接的时通常是收缩的，但是这种收缩是能通过附加如添加剂和加强光纤进行控制。在热固性状态下的这些材料的变化可以在室温和高温下完成，而树脂则能在加热下进行得更为彻底。总的来说热固性材料比热塑性材料具有更好的温度性能。

在连接器领域应用的大多数树脂可以通过添加剂的方式来提高其性能。这些添加剂的范围从阻燃剂到惰性添加剂以及加强料。很多用作绝缘的材料可通过增强处理和添加剂的方式来提高其性能。增强处理通常用来提高材料的强度、硬度、尺寸稳定性以及热和机械性能。其通常能减小热膨胀系数(CTE) 并且在薄片结构中它们能减小卷曲和收缩。添加剂通常能增强硬度、尺寸稳定性、和热机械性能。它们有时会影响强度和工作性能。添加剂通常便宜且能降低材料的成本。在很多情况下增强剂和添加剂联合与玻璃纤维使用以平衡成本与性能之间的关系。这里有一些因素能控制附加添加剂的使用：

载荷---附加添加剂的数量将决定一定载荷下硬度、强度以及热性能的增加。一般情况下50%的载荷常常被用到。

比率---在很多情况下增强效率要由玻璃纤维和添加剂在比率方面(长度/直径比率)来决定。很多添加剂是易碎且在材料的铸造和成型时易碎裂和退化。具有低比率的材料经不起太大的损坏。

界面连接—很多矿物质和玻璃基于其化学组成而具有高表面积，其组成占有很高的表面能量。Coupling agent或sizing可用于量度材料增强树脂矩阵之间的联接。通常的coupling agent包括silanes，石蜡，titinates和胺。

混合处理----添加剂与聚合物矩阵相联接的方法将会在其性质上产生想不到的效果。

用得最广泛的增强和添加剂是阻燃剂、玻璃光学纤维、云母片、wallastonite以及滑石粉。

3.1 阻燃剂（FRs）

很多电子应用上要用到阻燃树脂。最明显的原因是防止可燃材料的点燃。有几种可燃途径必须注意到，如稀释物(添加剂)，保护层的成型(磷化物)，以及冷却物(铝及从水中产生的氢氧化物)。这种反应通常发生在固体或气体阶段。阻燃剂在使用了卤素元素之后将会妨碍原子团之间的反应。经过交叉连接反应它们会在材料表面形成一个烧焦或屏障层，这些是可通过磷化物的介入而产生的。

阻燃剂能作为反应剂和填加剂。作为反应剂的时候它们自己通常要进入聚合物的矩阵结构之中，而作为填加剂时它们通常只会物理上与聚合物矩阵结构相配合作用。FRs在工程热塑胶材料上的应用一般是作为填加剂。其中一些在混合物中起配合剂的作用。这种阻燃剂的选择是可扩展的，并且其总类和影响对绝缘材料的作用将会被提到。

在工程塑料领域里应用的填充阻燃剂有最基本的两类：含卤素和不含卤素的FRs。有一些材料如PEI和PPS它们自己分子结构内部就有阻燃剂，因此也就不需要附加的阻燃剂。含卤素的阻燃剂其效率增加的顺序为：氟

大部分情况下要用到锑基化合物。这样可以提高卤素阻燃的效率。配合氧化剂自己并没有FR的能力，然而它在含卤化合物中具有很强的配合作用并且还可与广泛的与卤素相配合使用。此类反应通常发生在气体状态下。

非卤素的阻燃剂同样也在研究之中，但由于其在应用中对一些材料的基本聚合物矩阵将产生损坏性的影响，所以其应用受到了限制。例如磷基化合物用于尼龙材料中而不能用于聚脂之中是因为其与聚脂微晶不兼容。磷化物所起的作用通常是在浓缩阶段。其化学组成通常为高含氧成分并用于聚脂中。磷类主要包括有亚磷酸盐、亚磷酸、磷化物、白磷、红磷以及磷酸盐。这些化合物可用于一些明显的材料并且通常作为烧焦层组分和屏障层组分。作用于表面的FRs可对表面的性能产生一定影响。例如形成烧焦层的材料将影响聚合物表面抵抗力，它们同样会妨碍铸造柱形表面过程。

工程塑料中很少有适合FRs的矿物质，因为大多数矿物质的分解温度比工程塑料形成温度还要低。含有矿物质的材料，如氢氧化镁、碳酸镁、氢氧化铝及含硼的化合物已经被应用。它们加热时通常要分解，但不象其它物质那样蒸发，而是释放出不燃烧的气体，如水和一氧化碳等稀释燃料的混合气体。同时它们也把聚合物和氧隔离，以免其被氧化。但是这些混合物因为需要高度浓缩以满足FR的需要而使其在工程材料中的应用受到限制。由于材料中包括了水和更低的物理特性，尤其是流动性和相互冲击性。许多情况下，这些材料也提供了稀释的作用，因此那些不燃烧的其它材料对FR的形成具有积极的效果。聚合物中含有许多其它物质，如硅，其表现出有限的分解延缓应用性，但是它们必须考虑成本和性能。

延缓分解性的要求一般是用(Underwriters)实验来确定的，许多确认延缓分解性的不同实验被采用，如UL94，DIN4102及NEP92-507等。获得UL证书需经过严格的测试。

当考察FR添加物和分解延缓材料时，应用的特殊性、全部材料的绝缘性能及材料的成本/性能比值都必须考虑。又，聚合物的许多性能可通过向聚合物矩阵添加FRs添加剂而得以改变，这一点也是需要考虑的。

3.2 强化添加剂

玻璃纤维  玻璃纤维是广泛用作强化剂中的一种。除了强化作用外， 玻璃纤维还可增加分解延缓性和使材料更耐化学和热作用。玻璃纤维添加剂可大提高材料的物理性能。如，向PBT中加入玻璃纤维添加剂可使其弯曲系数增加250%，拉伸系数增加100%。在其它树脂中可看到相似的性能的提高。玻璃纤维添加物一般要降低树脂的流动性并可能引起一些表面缺点。玻璃纤维对选定的聚合物性能的强化作用被列于表5.7和5.8中。

云母  云母也是一种用作提高热传导性，温度阻值及电介质绝缘性能的同时降低热澎胀的天然材料。它可作为添加剂或强化剂并常与玻璃纤维合用，表5.9说明了这一点。

Wallastonite.  Wallastonite也是一种天然的针状材料。它常与玻璃纤维合用并表现出很好的电绝缘性能和很好的热变形特性，表5.10对此进行了说明。

电连接器材料可能暴露在热及化学环境中。此时，材料的选择更加严格。故设计者必须确定电连接器绝缘本体的材料选择在经过长时间的不良环境以后仍能保持其性能。

选择电连接器绝缘本体材料还有其它长期因素需要设计者加以考虑。其中之一考虑是如果部件在板清洗过程中暴露于碳化氢时对抗化学腐蚀力的要求。例如，postassembly 环境也是很重要的。例如，长期热及化学抵抗力在覆盖应用时（under--the--hood）应加以考虑。

高密度及小型化在电连接器市场上将会继续发展。可以预测未来之设计将要求在更少的空间有更高的性能。因而对设计者而言，在材料领域的变及表面粘接技术上处于变化的前列更为重要。

表5.11列举了不同材料的优点及缺点。同时表5.12包含了与电连接器应用最相关的选择的工程聚合物的一些聚合物性能总结。