雖然傳統的玻璃-金屬密封 （GTMS） 連接器方法可作為有效的氣密屏障和電絕緣體，適用於廣泛的醫療、汽車、航空航太、軍事和低壓地球物理應用，但過去三十年開發的 先進熱塑性塑膠 已被證明是適用於最極端操作環境的卓越解決方案。

在PAEK（聚芳醚酮）熱塑性塑膠類別中，一組不斷發展的新型PEEK（聚醚醚酮 ）和PEK（聚醚酮 ）化合物提供了最苛刻的電連接器應用所需的熱穩定性，機械強度，低磨損，耐化學性，絕緣電阻和引腳密度，包括飛機發動機和HPHT（高壓，高溫）石油和天然氣鑽井作業。

玻璃密封

自 17 世紀以來，玻璃-金屬密封件一直提供氣密屏障，並已發展為提供氣密密封和電絕緣的組合。在玻璃-金屬密封連接器內，玻璃被熔化以封裝金屬引腳和封裝，從而在外殼和引腳之間提供導電絕緣。在金屬部件上形成可見的氧化層，允許玻璃流動和粘附。密封的強度受到氧化層的限制。在製造過程中需要額外的步驟來去除連接器其他表面上的氧化物，這可能會受到污染。

玻璃是一種良好的電絕緣體，它具有低導熱性，以及承受高工作壓力和溫度的能力。然而，玻璃-金屬密封件的局限性在極端操作參數下進行測試時變得明顯。這些限制是雙重的：

• 玻璃的材料特性 — 玻璃堅硬易碎，在高壓、衝擊和振動的機械應力下容易開裂，尤其是在極端熱迴圈下。


• 製造過程的限制 — 熔化玻璃的難度及其熔融時的粘度對可以使用的金屬類型施加了限制。

使玻璃與金屬相匹配

玻璃-金屬密封件是通過高溫（通常超過900°C）的熔化過程形成的，然後快速冷卻。要形成堅固、有彈性的密封，需要玻璃和金屬材料之間的熱膨脹係數 （CTE） 匹配。CTE是材料在受到溫度變化時膨脹和收縮的程度。在加熱和冷卻過程中，兩種材料的體積變化速率必須保持同步，否則會產生熱產生的應力，因為一種材料的膨脹速度比其他材料快。

由於玻璃固有的剛性和脆性，任何CTE不匹配的管理對於避免接頭上的張力和應力至關重要，這些張力和應力可能導致空隙，玻璃與金屬之間的分離或玻璃結構完整性的破壞。玻璃-金屬密封不僅要在製造過程中經受住熔化過程，而且還必須在實際操作條件下承受數千次熱迴圈。

這種與金屬和玻璃的CTE相匹配的要求限制了金屬材料的選擇。Kovar 已廣泛用於玻璃-金屬密封的包裝，因為它在 20 至 200 °C 時的線性熱膨脹係數值為 5.5 × 10–6/K，在 400 °C 時為 4.9 × 10–6/K，與硼矽酸鹽玻璃的 CTE 非常接近。由鎳合金和不鏽鋼組成的饋通銷同樣具有必要的熱物理性能。然而，這些材料涉及導電性的重大妥協 - 電連接器的主要目的。

PEEK和PEK解決了玻璃的缺點

PEEK和PEK電連接器的引入克服了玻璃-金屬連接器的固有弱點。熱塑性材料的CTE不需要與金屬匹配，從而可以優化金屬饋通銷的電氣性能。在沒有匹配熱膨脹係數的限制下，可以選擇適合應用的導體材料，而不是製造方法。

例如，可以使用鈼銅（BeCu），與鉻鎳鐵合金和不鏽鋼相比，其電阻較低。更有效的導電性允許更多的電流通過，同時產生更少的熱量。這意味著更可靠的電力和信號傳輸。

由於導電性更高，引腳直徑更小，從而顯著提高引腳密度和引腳圖案設計靈活性，從而減小整體連接器尺寸。與玻璃熔化工藝相比，塑膠注塑工藝也更適合製造非常小的零件。與GTMS連接器相比，更輕的熱塑性材料，加上更小的引腳和整體連接器尺寸，可顯著減輕重量。在航空航太、海底和能源行業的應用中，元件重量和尺寸對整個子系統的性能至關重要。

PEEK和玻璃的一個重要區別是內部密封的幾何形狀，其中絕緣材料封裝每個金屬銷。PEEK連接器通過注塑工藝製造，其中PEEK被包覆成型到引腳上。通過這種方法，密封件沿著金屬銷的長度延伸。因此，這種粘合比剛性玻璃密封件更耐用。玻璃密封件中的內應力或金屬觸點的不均勻熱膨脹會導致密封表面出現裂紋，從而導致零件過早失效。PEEK較低的玻璃化轉變溫度允許在壓力負載或振動下發生輕微變形。通過對金屬觸點進行包覆成型，連接器可以容忍輕微的配接錯位，並且對安裝過程中的誤操作和機械衝擊造成的損壞不太敏感。彎曲的引腳可以重新對齊，而無需丟棄零件。

要求最苛刻的應用

在可靠性和一致性性能至關重要的應用中，例如飛機發動機和 深井下鑽井作業，PEEK和PEK電連接器具有以下幾個重要優勢：

• 可靠的電源和信號傳輸 - 與最佳金屬引腳材料（如鈹銅）相容


• 高溫高壓應用 - 高達 232°C （450°F） 和高達 35，000 psi，以及專用的先進交聯 PEEK 熱塑性塑料，高達 260°C （500°F） 和 45，000 psi。對快速和極端壓力和溫度迴圈的彈性


• 化學彈性 - 硫化氫、甲醇、鑽井液、井產品等


• 機械強度 - 抗衝擊和振動的彈性，而不會失去連續性


• 耐久性- 對操作不當造成的損壞不太敏感

熱塑性塑膠優於玻璃

PEEK和PEK克服了玻璃的局限性，在最苛刻的操作條件下提供卓越的性能。熱塑性塑膠的材料特性克服了玻璃的剛性和脆性，對壓力、衝擊和振動等機械應力具有更強的抵抗力。熱塑性連接器的製造工藝允許使用低電阻的金屬，以獲得顯著更好的功率和信號傳輸性能。

工程師和研究人員繼續開發創新的彈性體和熱塑性材料，以提高可靠性和性能。除未填充的PEEK外，還提供未填充PEK的 電連接器 ，以改善熱物理性能，以及填充等級的PEEK和PEK，以提高機械強度。在極端條件下，交聯PEEK， 如Arlon 3000XT®，可以在高達500°F的溫度，45，000 psi的壓力下工作，並且已被證明比石油和天然氣勘探中使用的其他材料強30%。

本文來自新的「連接器供應商」電子書《 2022 適用於惡劣環境的堅固互連》。