彈簧針連接器的基礎知識

彈簧針 (pogo pin) 是加載彈簧的緊湊型連接器，廣泛用於電子系統，其接觸點能提供可靠的電氣連接。其結構為一個內裝彈簧的筒狀外罩，彈簧針可進行壓縮並維持穩定的觸點壓力。此設計的外型看起來像是經典的彈跳桿 (pogo stick)，因此得名。

題外話，彈跳桿之名源於開發者 Max Pohlig 和 Ernst Gottschall 姓氏的前兩個字母組合。然而，這兩者除了具有相似的動作和名稱之外，在功能和設計上並無其他太大關係。本文將更詳盡介紹彈簧針，包括其優點、常見樣式、設計注意事項。

彈簧針基礎知識

彈簧針是在 1970 年代初由貝爾實驗室開發，起初為半導體測試設備所設計，提供高精密度、小型化、可重複的電氣連接。由於機械穩定性、電流處理、緊湊設計的進展，使其更加廣泛使用於產業中。彈簧針提升的這些功能提供足夠的通用性，用於消費型電子產品、工業系統和醫療裝置的應用。

每個彈簧針包含三個主要部分：圓筒、柱塞、內部螺旋彈簧。典型的材料為黃銅或銅合金，加上鎳塗層，以提高耐用性和抗腐蝕性。對於較低接觸電阻要求的應用，通常使用金和其他貴金屬電鍍層。在高密度固定裝置中，彈簧針緊密排列，在電路板或頻繁插拔的連接器內形成多個接觸點。這種密集的配置提供高效率且可靠的連接，可耐受重複使用，許多現代電子應用均重視此特點。

圖 1：典型彈簧針的基本組件。(圖片來源：Same Sky)

除了成本優勢之外，彈簧針還包含許多工程優勢，可提高裝置效能和使用壽命：

• 空間和高度效率：彈簧針可節省寶貴的電路板空間並降低組裝高度，非常適合緊湊型設計。
• 耐用性和抗衝擊性：經過精心設計，可在多次插拔中保有耐用性，並且能夠抵抗機械衝擊和振動。
• 延伸觸點行程：彈簧針具有高觸點行程，可適應熱脹冷縮，保持穩定的連接。
• 精密組裝：機器安裝可精確放置，確保可靠且一致的連接。
• 自動對齊：彈簧針可自動與配接插座對齊，簡化組裝流程並提高可靠性。
• 恆定接觸力：彈簧機構保持恆定壓力，防止在各種條件下連接斷開。
• 適應性設計：彈簧針可依據不同的電路板配置進行客製化，支援各式製造要求。

彈簧針提供多種規格，包括不同的長度、直徑、材料、操作力、額定電流、焊盤佈局、柱塞樣式，因此適用於各種應用，從高挑戰性工業環境到日常消費型電子產品。

彈簧針類型和安裝方式

如上所述，彈簧針連接解決方案有多種類型，可專門訂製以滿足特定的應用需求、生命週期要求、客製化選項。以下列出一些較常用的彈簧針特點，工程師能夠依據電氣、機械、環境需求最佳化設計：

• 高電流：設計用於處理一般在 2 至 8 A 之間的電流，也可針對高要求應用，提供更高的額定值
• 高頻：適用於高速應用，能支援高達 10 Gbps 的數據傳輸率
• 防水：整合密封機制，可防止水和濕氣侵入，非常適合戶外和嚴峻的應用
• 磁性：運用磁力建立安全的極化連接並加以維持
• 低彈簧力：具有較低的彈簧張力，可在接觸點上施加最小的力，適合精密連接
• 滾珠觸點：在觸點端有一顆滾珠，即使觸點之間移動也能保持訊號連續
• 螺紋螺絲：在柱塞或圓筒上具有螺紋設計，以牢靠固定至板件或裝置上
• 焊杯：彈簧針後有一個小焊杯，可直接連接纜線
• 雙端：兩端皆包含彈簧接點，方便於兩側連接
• 垂直或平底：從電路板垂直延伸，達到高效率的板對板連接
• 直角 (水平)：與電路板成 90° 角配置，支援水平裝置安裝
• 浮動：一端具有標準彈簧觸點，另一端具有彎曲觸點，可防止過度壓縮，同時允許兩側用於連接

圖 2：雙端和直角彈簧針範例 (圖片來源：Same Sky)

彈簧針通常作為獨立的組件採購，因此可以針對特定的板件或固定應用進行客製化。這種靈活性使其成為客製化互連解決方案的重要組成部分，可滿足精密的連接要求。然而，有時也可採用納入絕緣外殼的彈簧針現成連接器陣列，這類產品通常配有安裝五金件，如果符合設計要求，可藉此簡化組裝過程。

針對客製化板件或固定組件，為不同應用提供各種插入和安裝選項：

• 插入類型：提供多種插入彈簧針的方法，包括壓配、型鍛、壓接、焊接，甚至免焊式選項，每種方法都具有獨特的優勢，其選用取決於應用的機械和電氣要求。
• 安裝技術：安裝配置包括表面黏著、通孔式、電線安裝、自由懸掛式，適用於各式板件設計和互連配置。

圖 3：常見的彈簧針選項 (圖片來源：Same Sky)

插座或目標

電氣連接器的主要功能是連接或配接兩個以上的組件。傳統連接器通常需要在每一端都有相容的固定件。彈簧針則提供更多的功能性，因為不僅可以由配接插座或插槽建立連接，還可以與電路板上的特定目標點直接接觸進行連接。

這些目標點可能為指定的組件、板上的電鍍接觸區域或專為測試積體電路所設計的客製化晶片插座。目標點用於提供可靠的電氣連接點，彈簧針可接觸該點並保持穩定連接，直到刻意斷開。

最終的設計考量

若要選用理想的彈簧針，以下為一些最終關鍵考量：

• 尺寸和格式：依據空間限制和機械合適度，定義引線尺寸、引腳直徑、外型 (如圓形、方形、矩形)。
• 觸點材料 ：依據導電性、耐用性，以及與設計中其他材料的相容性，從黃銅、銅、鎳、青銅等材料中選擇。
• 接觸電鍍：依據所需的接觸電阻、抗腐蝕性和耐用性選擇電鍍材料，如金、銀、鎳、鈀、鋅、錫、鉛。
• 電氣指標：評估接觸電阻和額定電流，確保彈簧針能夠處理所需的電力負載，而不會產生過多損耗或發熱。
• 動作：指定柱塞尺寸、工作高度 (以達到最佳柱塞行程) 和尺寸容差，確保應用達到可靠的接觸和壓縮。
• 物理指標：考慮接觸所需的初始操作力和維持接觸所需的中間壓縮力，確保彈簧針的力符合設計的機械和耐用需求。
• 環境因素：考慮可能暴露於極端溫度、衝擊、振動、腐蝕性氣體和濕氣的情況。選擇專為惡劣環境設計的彈簧針，可確保在惡劣條件的使用壽命和效能。

圖 4：彈簧針示意圖上常見的最大和最小壓縮以及建議工作高度 (圖片來源：Same Sky)

結論

彈簧針的設計簡單且牢固，可在各種裝置間提供可靠且一致的電氣連接。彈簧針的簡單設計使其能夠承受數千次插拔循環，在高使用率的應用中格外耐用。其彈簧加載機制還可以補償連接時的微小錯位，確保在輕微的位置偏移下也能保持一致的效能。此外，彈簧針既符合成本效益又可節省空間，因此成為許多現代電子應用的首選連接解決方案。這些應用重視緊湊性、可靠性、預算考量。查看 Same Sky 精選的彈簧針連接器，現可在 DigiKey 選購。