儘管傳統的玻璃-金屬密封（GTMS）連接器在醫療、汽車、航太、軍事及低壓地球物理等廣泛應用領域中，仍能有效提供氣密屏障與電氣絕緣功能，但過去三十年來研發的先進熱塑性塑料，已證實能為最極端的運作環境提供更卓越的解決方案。

在聚芳醚酮（PAEK）熱塑性塑料類別中，一系列不斷演進的新型聚醚醚酮（PEEK）與聚醚酮（PEK）複合材料，具備滿足最嚴苛電氣連接器應用所需的熱穩定性、機械強度、低磨損特性、耐化學性、絕緣電阻及針腳密度要求，適用領域涵蓋航空引擎與高壓高溫（HPHT）油氣鑽探作業。

玻璃密封

自十七世紀以來，玻璃金屬密封技術便提供氣密屏障，並發展出兼具氣密密封與電氣絕緣的複合功能。在玻璃金屬密封連接器內部，玻璃經熔融後包裹金屬針腳與封裝體，於外殼與針腳間形成導電絕緣層。 金屬元件表面會形成可見氧化層，此層使玻璃得以流動並附著。密封強度受氧化層厚度限制。製造過程中需額外步驟清除連接器其他表面的氧化層，此步驟可能導致污染風險。

玻璃是優良的電絕緣體，具有低熱導率特性，同時能承受高操作壓力與溫度。然而，當玻璃與金屬密封結構在極端操作參數下接受考驗時，其局限性便顯現出來。這些限制主要體現在兩方面：

• 玻璃的材料特性 ——玻璃質地堅硬且脆性，使其在承受高壓、衝擊及振動等機械應力時容易產生裂痕，尤其在極端熱循環條件下更為顯著。


• 製造製程的限制 ——玻璃熔融的困難度及其熔融狀態下的黏稠性，限制了可使用的金屬種類。

玻璃與金屬的搭配

玻璃金屬密封件是透過高溫熔融工藝形成，溫度常超過900°C，隨後進行急速冷卻。要形成強韌耐用的密封結構，必須使玻璃與金屬材料的熱膨脹係數（CTE）相互匹配。熱膨脹係數指材料在溫度變化時膨脹與收縮的程度。 在加熱與冷卻過程中，兩種材料體積變化速率必須保持同步，否則當其中一種材料膨脹速率快於另一種時，便會產生熱應力。

由於玻璃固有的剛性與脆性，管理任何熱膨脹係數（CTE）不匹配現象至關重要，以避免接合處產生張力與應力，進而導致氣孔、玻璃與金屬分離，或破壞玻璃的結構完整性。玻璃與金屬的密封接合不僅須在製造過程中承受熔融工序，更須在實際運作環境中抵禦數千次熱循環的考驗。

金屬與玻璃熱膨脹係數需匹配的要求，限制了金屬材料的選擇。科瓦合金（Kovar）因其熱膨脹特性而廣泛應用於玻璃-金屬密封封裝：其線性熱膨脹係數在20至200°C範圍內為5.5×10⁻⁶/K，400°C時為4.9×10⁻⁶/K，與硼矽酸鹽玻璃的熱膨脹係數高度吻合。 鎳合金與不鏽鋼製成的貫穿針同樣因其必要的熱物理特性而被選用。然而，這些材料在導電性方面存在顯著妥協——而導電性正是電氣連接器的主要功能。

PEEK與PEK解決了玻璃的缺陷

PEEK與PEK電氣連接器的問世，克服了玻璃-金屬連接器固有的缺陷。熱塑性材料的熱膨脹係數無需與金屬匹配，使金屬貫穿針的電氣特性得以優化。在無需顧慮熱膨脹係數匹配的限制下，導體材料的選擇可依據應用需求而非製造工藝來決定。

例如，可採用鈹銅（BeCu）材質，其電阻值低於因科鎳合金與不鏽鋼。更高效的導電性使電流傳導更順暢，同時降低發熱量。這意味著電力與訊號傳輸的可靠性得以提升。

憑藉更高的導電性，可採用更細的針腳直徑，從而實現顯著提升的針腳密度與更靈活的針腳佈局設計，最終縮小整體連接器尺寸。相較於玻璃熔製工藝，塑料注塑成型技術更適合製造極微型零件。 較輕的熱塑性材料，結合更小的針腳尺寸與整體連接器體積，相較於玻璃熔接式連接器（GTMS）可大幅減輕重量。在航空航天、海底及能源產業的應用中，元件重量與尺寸對整體子系統性能至關重要。

PEEK與玻璃之間的重要差異在於內部密封的幾何結構——絕緣材料包裹著每根金屬針腳。PEEK連接器採用注塑成型工藝製造，將PEEK材料包覆於針腳外層。此工藝使密封層沿金屬針腳全長延伸，因此其結合強度優於剛性玻璃密封結構。 玻璃密封件的內部應力或金屬接點的熱膨脹不均，可能導致密封面出現裂痕，進而引發零件過早失效。PEEK較低的玻璃化轉變溫度使其能在承受壓力負荷或振動時產生輕微變形。透過對金屬接點進行包覆成型，連接器能容忍輕微的對接偏差，對安裝過程中的操作失誤及機械衝擊造成的損壞也較不敏感。彎曲的針腳可重新對齊，無需報廢零件。

最嚴苛的應用

在可靠性與穩定性能至關重要的應用領域，例如飛機引擎與深井鑽探作業中，PEEK與PEK電氣連接器具備多項重要優勢：

• 可靠的電力與訊號傳輸- 適用於最佳金屬針腳材質，例如鈹銅


• HPHT應用—— 最高可達232°C（450°F）及35,000 psi壓力，採用特殊進階交聯PEEK熱塑性塑料時，最高可達260°C（500°F）及45,000 psi壓力。具備抗快速與極端壓力及溫度循環之韌性。


• 化學抗性——硫化氫、甲醇、鑽井液、井產物等


• 機械強度- 抗衝擊與振動能力，且不影響連續性


• 耐用性 -對不當操作造成的損壞較不敏感

熱塑性塑料性能優於玻璃

PEEK與PEK材料突破玻璃的限制，能在最嚴苛的操作環境下展現卓越性能。熱塑性塑料的材質特性克服了玻璃的剛性與脆性，對壓力、衝擊及振動等機械應力具備更強大的抗性。熱塑性連接器的製造工藝允許採用低電阻金屬，從而顯著提升電力與訊號傳輸效能。

工程師與研究人員持續開發創新的彈性體與熱塑性材料，以提升產品可靠性與性能表現。除未填充PEEK外，電氣連接器亦提供未填充PEK材質以強化熱物理特性，同時備有填充級PEEK與PEK材質以增強機械強度。 針對極端環境，如Arlon 3000XT®等交聯PEEK材料可在高達500°F（260°C）的溫度與45,000 psi（310 MPa）壓力下運作，其強度經實證較石油天然氣勘探領域的其他材料高出30%。

本文摘自全新電子書《連接器供應商》——2022年惡劣環境用堅固互連解決方案。