使用直插式绝缘穿刺连接器简化装配并缩小 BOM

工程师之所以经常选择绝缘穿刺连接器 (IDC) 及其相关的带状电缆用于多针位互连，是因为它们具有接触密度高、单步大规模端接和无需剥线等优点。在 IDC 用户通常印象中，该器件会采用分体式连接器结构，一半是配接公插针，一半是母插座。这些 IDC 提供众多样式（例如，板安装或自由悬挂）及少至 8 个、多至 50 个针位（典型配置），并与多芯扁平带状电缆一起使用。

尽管 IDC 有很多优点，但设计人员一直在设法降低直接零件成本，缩小物料清单 (BOM)，简化购买和采购过程，以及简化生产环境中的装配流程。现在通过使用单个 IDC 连接器来端接扁平电缆，所有这些目标可以一步实现，同时也不需要互补的配接连接器。

这项创新打破了关于 IDC 连接器的“常规印象”，并被 Würth Elektronik 应用于其 WR-WST REDFIT IDC SKEDD 扁平电缆 IDC 连接器。该连接器使用 PC 板作为配接触头，从而降低了成本，简化了装配工作，并从 BOM 中删减了一项材料，而所有这些都不会影响性能。本文首先讨论此类 IDC 连接器创新背后的驱动因素，然后再介绍 WR-WST 连接器以及如何利用它。

什么是 IDC？为什么需要它们？

IDC 通过支持快速、便捷地端接多条信号线和电源线，以及快速、便捷地接通和断开连接路径，解决了多个问题（图 1）。基于 IDC 的电缆组件广泛用于许多应用，例如相邻的 PC 板之间，或工艺 PC 板与相对较远的用户显示器/键盘组件之间。在一些设计中，扁平电缆甚至可用作柔性“总线”，不仅支持电缆端连接，还支持沿柔性电缆放置连接器，以便能够将其他 PC 板连接到一条公共通道上。

图 1：IDC 电缆组件将大规模端接的压接式公头和母头配接连接器与多芯扁平带状电缆（例如此例中的 16 线组件）一起使用；除了图中这种彩虹色实例外，带状电缆也可以是单色的。（图片来源：eBay）

IDC 技术是在 50 多年前开发的。自采用以来，该技术已得到广泛的使用，可用版本的数量、触头密度和每个连接器的触头数量不断增加，并经历了一些其他改进。顾名思义，IDC 技术的基本原理是穿刺，或者说推离电缆线芯（电线）周围的部分绝缘层，并与铜芯进行直接电气连接（图 2）。该技术无需从电线上剥去绝缘层，因为触头的尖锐金属边缘会刺穿绝缘层以形成气密的连接。

图 2（上图）

图 2（下图）

图 2：在 IDC 连接器中，将连接器顶部向下推以同时压接触头，并刺穿电缆中所有电线的绝缘层（上图）。拆除连接器顶部后查看该组件（下图）可以看到刺穿电线绝缘层的触头。（图片来源：Jaycar Electronics 参考规格书）

绝缘材料能够干净利落地劈开但又不会裂出刺穿区域，这种技术开发是令大规模使用 IDC 成为现实的众多技术进步之一。由于扁平带排列中有很多电线，可以同时形成大量这样的端接，因此 IDC 电缆有时也称为“大规模端接”连接器。为了保证可靠的连接，最早的 IDC 仅限于使用实芯线，但随着技术的进步，IDC 很快扩展到了绞合线。

公头和母头配对都提供了很多标准版本。其中包括可焊接到 PC 板上的连接器，以及可自由悬挂并端接电缆端的连接器。这样便可以将 IDC 电缆组件连接到板安装的连接器或另一根 IDC 电缆。

例如，Würth 61201023021 是一款双列 10 针位、2.54 毫米 (mm) 间距的矩形 IDC 插座（母头）连接器，并压接在电缆上（图 3）。如果电缆需要的是公插针连接器，则可使用互补的 Würth 61201025821 IDC 针座连接器（图 4）。对于公头或母头连接器，PC 板上都可安装相应的连接器，以完成线对板连接路径。请注意，尽管以下是 10 针位连接器，但 Würth WR-BHD 简易牛角和 IDC 连接器系列可扩充至 60 针位的连接器。

图 3：Würth Elektronik 的 61201023021 IDC 是 2.54 mm 间距的双列 10 针位矩形插座（母头）连接器。它设计成压接到自由悬挂的扁平带状电缆上。（图片来源：Würth Elektronik）

图 4：带公插针的 Würth 61201025821 IDC 针座连接器是 Wurth 61201023021 IDC 的互补连接器。（图片来源：Würth Elektronik）

IDC 及其扁平带状电缆提供了众多的针位数和版本选择。其中包括 0.050 英寸（1.27 毫米）或 0.10 英寸（2.54 毫米）引脚间距以及引脚数选择。最大额定载流量通常为 1 安培 (A) 至 3 A，可用线规从较细的 30 AWG 到更大的 22 AWG 不等。此外，针对曾经广泛使用的 DB-25、DB-15 和 DB-9 规格（通常用于 RS-232 接口），还提供了适用于 DB-xx 连接的 IDC 连接器。

一些行业部门已确立特定的 IDC 类型，以便能够互换来自不同制造商的连接设备。例如，在个人电脑领域，存在以下通用标准：

• 3.5 英寸 IDE 台式电脑硬盘驱动器：2.54 毫米间距，40 针，2 × 20（2 列，每列 20 针）
• 2.5 英寸 IDE 笔记本电脑硬盘驱动器：2.00 毫米间距，44 针，2 × 22
• SCSI 8 位：2.54 毫米间距，50 针，2 × 25
• SCSI 16 位：1.27 毫米间距，68 针，2 × 34

对于上述所有连接器，电脑制造商通常将母头 IDC 连接器连接到带状电缆的一端，并在电脑主板上安装匹配的公头简易牛角或排针。在电话接线的“压入式”模块中，还有与单芯线配合使用的单触头排列。技术人员可以使用特殊工具在现场进行连接，将绝缘电线推到所需的单个触头针位的尖叉形端子之间。

演变至一体式 IDC 配接

多触头 IDC 电缆组件需要配接连接器，这一点似乎很明显，甚至是不可避免的，并且很长时间以来确实如此。不过，有一种较新的方法可以省去母头（插座）配接部分，而将 PC 板用作该配接连接器（图 5）。

图 5：Würth Elektronik 的 REDFIT IDC SKEDD 连接器扁平电缆 IDC 系列直接插入 PC 板中合适尺寸的电镀过孔中，因而无需匹配的母头 IDC。（图片来源：Würth Elektronik）

这就是 Würth Elektronik 的 REDFIT IDC SKEDD 连接器扁平电缆 IDC 系列的原理。该连接器与任何 IDC 电缆一样连接到扁平带状电缆，但随后直接插入 PC 板中适当尺寸的电镀孔或过孔（源自“垂直互连访问”的英文首字母缩写词）。最终以更低的成本、更少的接触点和装配步骤实现了可靠的连接。

这是一种免焊接、可手动插拔的反转连接器，意味着无需特殊工具便可将其拔出，而不像一些压入或咬接式连接器需要使用特殊工具或用户用力扭转（图 6）。它基于 1.27 毫米间距（通常称为“半间距”），每个连接器提供 4 到 20（偶数）个触头；10 针位 Würth 490107671012 版本就是具有代表性的规格。

图 6：REDFIT IDC SKEDD 连接器是一种免焊接、可手动插拔的反转 IDC，这意味着无需特殊工具便可将其拔出。（图片来源：Würth Elektronik）

REDFIT IDC SKEDD 连接器的目标应用包括消费类电子产品、太阳能系统安装、工业电子产品，以及具有接线需求的机械工程项目等。供应商提供的性能保证为，至少可在现场进行 10 次配接，在原型工作台（环境条件更好）进行 25 次配接。

对于许多除了进行一次性维修或升级之外不需要拆卸的产品来说，这样的额定参数非常适合。总体系统的接触电阻规定为 10 毫欧 (mΩ)，最大载流量和额定电压分别为 1 A 和 100 伏。根据需要，可在异地或在工厂制作 28 AWG (1.27 mm) 电缆。

材料科学使之得以实现

要实现初始配接和多次配接，REDFIT IDC SKEDD 的触头对必须彼此适配，使得金属不会像某些触头设计那样发生塑性变形。相比之下，SKEDD 触头包括两个在顶点处连接的臂；并且这两个柔性叉形臂即使在插入并进行连接时也能保持弹性状态，确保实现可逆连接（图 7）。

图 7：SKEDD 触头的两个臂在插入过程中和插入后均保持弹性状态，这是它们能够保持接触力并且能够拆卸和重新插入的关键因素。（图片来源：Würth Elektronik）

在插入过程结束时，柔性 SKEDD 触头的弹簧刚度达到最大值。这种状态下，触头的法向力足够高，可确保不会由于机械应力而发生超过 1 微秒 (µs) 的信号中断。

SKEDD 触头和技术看起来只是长期使用的压合技术的一种复杂扩展，但事实并非如此。在压合方法中，实心引脚被压入电镀通孔中。引脚和孔之间的高摩擦力在两个表面之间形成均匀的冷压接，从而确保电气和机械完整性。但是，在此压入过程中，电镀通孔也会发生变形，并且拔出实心引脚便会断开此连接。

在将压合技术与柔性引脚而非实心引脚配合使用时，电镀通孔保持完好，但引脚材料本身会发生变形。尽管可以拔出柔性引脚，因为该机械连接的强度不如使用实心引脚时那么强，但引脚本身已损坏，无法二次使用。

相比之下，SKEDD 方法的触头和电镀通孔采用弹性配接，不会发生塑性变形，因而可确保配接对能够重新连接而不会退化，同时其四向接触也能增强可靠性（图 8）。

图 8：与压合技术采用实心或柔性引脚并且在插入时分别令过孔或引脚发生变形不同，SKEDD 触头不会令自身或过孔发生变形，这对于确保可以重新插入连接器及其触头至关重要。（图片来源：Würth Elektronik）

互连优势与机会

在常规 IDC 电缆的典型应用中，电缆两端的连接器分别与相应的板安装连接器配接，以连接相邻的 PC 板。通过使用 REDFIT IDC SKEDD 连接器，设计人员可以获得多项优势：

• 无需配接板连接器；如果在两端使用 REDFIT IDC SKEDD 连接器，则可以节省两个部件。
• 由于 REDFIT IDC SKEDD 连接器可以插入到电路板的顶面或底面，因此扁平带状电缆的布线以及相对的板间距和方向都具有更大的灵活性，而且允许更短的直接连接（图 9）。
• 最后，就是重量轻，可节省材料。在某些设计中，这可能无关紧要，但在许多设计中却是一个重要的因素。

图 9：由于 REDFIT IDC SKEDD 连接器可以插入 PC 板的任意一侧，因此在电缆布线和放置连接电路板时提供了更多的选择。（图片来源：Würth Elektronik）

REDFIT IDC SKEDD 连接器的塑料外壳是连接器性能的重要构成部分。该外壳在相对的角上有两个直径略有不同的导销，以确保正确的配接方向并防止装配时出现反极性错误（图 10）。外壳材料是耐高温的塑料（额定温度为 -25⁰C 至 +105⁰C），符合 UL94 V-0 可燃性标准，具有出色的耐化学腐蚀能力，并且热膨胀系数低，可最大限度减少因热循环而导致的故障。

图 10：导销在连接器外壳相对角上直径略有不同，可防止连接器位置插反。（图片来源：Würth Elektronik）

为防止振动引起的间歇性接触，除了每个引脚上的四个接触点外，每个塑料板件导块上还有两个小的摩擦锁，用作被动锁定系统。最终可实现免工具端接，即插入时自行锁定并保持可靠的连接，直到用手将其断开。

电路板的制造规范已完全定义，易于满足

要成功有效地使用 REDFIT IDC SKEDD 连接器，必须正确制造 PC 板过孔。不过，这不是问题，因为关键要求与当今的标准 PC 板规范是相称的。过孔制造不需要特殊步骤，也不需要超乎寻常的额外 PC 板公差精度。

尺寸图中标注了整个连接器的 PC 板布局和钻孔尺寸，以及生产板上成品过孔的相关公差（图 11）。请注意，针对通常需要更多插入/拔出次数的原型测试和调试应用，还提供了具有更宽公差的钻孔模式。

图 11：为使生产 PC 板的孔布局和尺寸能够接受 REDFIT IDC SKEDD 连接器以及公差，指定的尺寸和公差与现代电路板制造标准相称（左图）；调试应用的钻孔模式经过修改，具有稍宽一些的公差，并且允许更多的插/拔次数（右图）。（图片来源：Würth Elektronik）

总结

分体式 IDC 电缆组件和系统已使用了很多年，并且被证明是一种广泛应用的有价值的多线互连方法。现在，Würth Elektronik 的单体式 REDFIT IDC SKEDD 连接器扁平电缆 IDC 系列提供了一种无需配接母头 IDC 插座的替代方案。而且，其手动可插/拔公插针连接器插头可直接插入 PC 板。因此，它可以降低成本，精简 BOM，消除其他潜在的间歇性接触错误源，并为电缆布线和电路板排列提供了更多选择。

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Würth Elektronik，REDFIT IDC SKEDD 连接器解决方案

Würth Elektronik，来自 Würth Elektronik eiSos 的 REDFIT IDC–SKEDD 连接器

参考资料

1. “Jaycar Electronics Reference Data Sheet” (Internet Archive Wayback Machine)
2. “Insulation-displacement connector” (Wikipedia)