要滿足客戶對電子設備日益增加的功率和功能需求，必須實現連接器的微型化，但同時不能影響到產品的耐用性。材料科學是開發堅固耐用微型連接器的關鍵因素，即使在最具挑戰性的環境下，也能保持堅固耐用。

隨著電子設備趨向微型化，連接器的尺寸也需要不斷縮小。然而，傳統材料在製造微型零件時已經到達極限，因此，如何在減輕重量和縮小尺寸的同時，仍然保持強度和其他性能屬性的能力變得十分重要。為了克服這些挑戰並保持性能，未來連接器微型化的發展將依賴於材料科學的進步。

創新的材料，尤其是先進的工程塑膠，如何在滿足連接器微型化的設計要求，同時確保優異性能？

平衡強度和重量

微型化在連接器設計和材料選擇上帶來了重大挑戰。與大型連接器不同，微型化連接器更重視減輕重量和縮小尺寸。儘管傳統外殼材料價格低廉且用途廣泛，但在薄壁部分時，強度會大幅降低，並可能造成應力集中，增加在負載下失效的風險。

至於金屬等其他高強度材料，由於多種原因，通常不適合替代這些傳統工程塑膠。因此，需要考慮的因素包括電氣絕緣、形狀尺寸、衝擊和耐久性、重量、成本和/或產品的可製造性。

物色先進材料

解決方案是專為微型化設計的先進絕緣材料。高性能聚合物（HPP），如聚?胺（PPA）、液晶聚合物（LCP）和其他特殊配方的聚合物，它們不僅可以保持輕量化外型，同時具備高強度和出色的尺寸穩定性。這些特性使HPP十分適合應用於V2X、5G、網路和物聯網等微型化連接器設計。

添加奈米複合材料

先進材料在聚合物基質中加入奈米顆粒，可以在不增加太多重量的情況下顯著地提升剛度和強度。奈米複合材料為材料科學家提供工業自動化和人工智慧等應用帶來所需的堅固微型連接器。

透過使用 HPP 和奈米複合材料等先進材料，材料科學家可以解決重量限制問題，確保設計適合狹小空間的連接器的強度，這些材料也能改善窄小空間內的熱管理。然而，這些增強功能也帶來新挑戰，即如何平衡效能、成本和商業可擴展性。

應對微型化挑戰

連接器尺寸縮小，暴露了傳統材料的限制。在微型連接器結構中，由於表面積與體積比過大，加上成分變化和填料尺寸與結構本身相似，這些材料的特性會失準。雖然這些材料在較大的尺寸下性能良好，但微型化時會顯露缺陷。因此，專門提升強度和耐用性的 HPP 材料在微型尺寸條件下變得十分重要。

HPP：專為微型化而設計

HPP結合多種因素來應對微型化挑戰。相較於傳統聚合物材料，它們的熔體黏度較低，流動性更佳，能夠填充不同微型連接器幾何形狀所需的複雜模具，同時將變形降至最低。傳統聚合物在薄壁截面上的強度會減弱，但 HPP即使在尺寸縮小的情況下，也能保持較高的強度重量比。這是透過在HPP基材中加入創新填料和化學成分達成的，從而達到高尺寸精度和穩定性。

超越強度

微型化所面臨的挑戰不僅在於實現理想的機械強度，專為微型化應用設計的連接器還必須滿足特定的應用要求。

阻燃性：微型化連接器可能需要在易引發火災的環境中運作。HPP可透過特定添加劑來製成阻燃型材料，這些添加劑能吸收熱量、釋放不可燃氣體或形成保護性炭層來阻止燃燒。

耐化學性：暴露於惡劣化學環境中可能降低連接器的性能。HPP可根據應用進行配製，以抵抗特定化學品。然而，一些耐化學聚合物可能不具備所需的流動性能，或可能變得脆弱。應力會嚴重影響塑膠材料的耐化學性。設計工程師必須仔細思考這些因素，以確定材料和設計特性的正確組合。

高品質：即使是微量雜質，例如金屬污染物或不需要的副產品，也會對聚合物產生重大影響，增加裂縫或過早失效的風想。HPP 配方強調高品質的原料和嚴格的加工技術，並確保一致的性能和可靠性。

要達到最佳效能需要仔細平衡。複雜的微型連接器幾何形狀，以及阻燃性和耐化學性等嚴格要求，對現有材料不斷構成挑戰。材料科學家持續開發和改進HPP配方，以滿足複雜且多變的需求。

使用3D列印技術進行原型樣品設計和開發

3D列印為快速製作零件原型提供了令人興奮的可能性。在開發階段，3D列印為工程師提供快速、低成本的優勢，以實現快速反覆運算的能力。如此一來，就可以在最終確定高性能材料和昂貴的製程之前，進行快速的形狀和配合評估。

然而，使用於原型以外的應用時，3D列印技術仍存侷限性。目前3D列印技術的尺寸解析度不足以生產的高度微型化零件。由於公差僅為微米級，3D 列印製程和相關材料尚無法提供最佳機械性能和電氣功能。但隨著高解析度列印技術不斷進步，3D列印有望成為設計原型樣品的重要工具，未來成為製造功能性產品零件的可行方法。

圖一 : 3D列印有望成為設計原型樣品的重要工具，未來成為製造功能性產品零件的可行方法。

材料選擇和未來趨勢

了解結構與性能的關係是選擇最佳材料的關鍵。利用這些知識，工程師可以找到兼顧強度、重量、功能和耐用性的材料。

新型金屬替代材料

以先進塑膠替代金屬，有助於連接器輕量化。然而，傳統塑膠通常缺乏金屬的導電性、強度和耐用性。在塑膠中添加石墨烯和碳奈米管（CNT）等新型材料，可以提供優異的強度重量比，從而實現新穎的外形尺寸，並增加替代金屬的機會。

利用人工智慧和機器學習優化設計

人工智慧（AI）和機器學習（ML）在材料選擇及連接器設計與製造方面潛力巨大。這些技術可以分析資料、揭示跨專業的見解、實現流程自動化、提供即時監控、預測結果並提高決策能力，從而加快高效能連接器的開發。

利用數位分身完善原型樣品設計

數位分身（Digital twins）可以建立物理連接器的虛擬複製品，並且收集關鍵資料。工程師可以建立即時回饋循環，將實際測試數據或感測器讀數回饋到數位孿生中，為改善未來設計的反覆運算提供資訊。這種虛擬試驗場可加快微型連接器的開發週期、最佳化性能並增強可靠性。

圖二 : 工程師將實際測試數據或感測器讀數回饋到數位分身中，可以為改善未來設計的反覆運算提供資訊。（source：Molex）

材料科學的進步，仍然是開發設計尺寸日趨縮小的堅固連接器的關鍵。

永續性考量

材料選擇提供了革新解決方案的重要機會，幫助企業實現環境管理目標。隨著客戶尋求滿足環境需求的解決方案，創新的微型連接器製造方法不斷推陳出新，透過使用更少的資源來降低對環境的影響。

生質材料和回收材料

在永續材料的選擇上，生物塑膠提供了令人期待的前景。這些材料使用玉米澱粉、纖維素和蓖麻油等可再生生物資源，替代傳統不可再生的塑膠原料。另外，機械和化學回收技術可以重新利用現有塑膠，保護原始資源並降低對環境影響。

合作與監測

參與微型連接器設計和製造生命週期的人員應積極監測並探索永續材料和技術的發展。除此之外，區域法規在推動可再生材料採用方面也扮演重要角色。

藉由全面考量對可再生材料，利益相關者可以做出明智的決策，在連接器性能與環境影響之間取得平衡。

材料科學是實現堅固耐用的微型連接器的基石。Molex莫仕致力於開發材料和材料加工創新、材料選擇和應用工程，以及實現產品數位分身時所需最佳化的材料測試和數據。

（本文作者Zhou Hao為Molex莫仕全球技術主管）