耐高溫帶狀電纜

錢 科

（江蘇永鼎股份有限公司，江蘇蘇州215211）

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耐高溫帶狀電纜

錢 科

（江蘇永鼎股份有限公司，江蘇蘇州215211）

摘要：帶狀電纜，一類是以聚氯乙烯絕緣排線等為代表的普通帶狀電纜；另一類是以氟塑料絕緣高溫排線等為代表的耐高溫帶狀電纜。介紹了帶狀電纜的基本種類、性能參數，以及目前的研發生產狀況。依據擠管式（改進型）一次擠出成型技術研制YDFR系列高溫帶狀電纜的成功經驗，著重介紹了YDFR系列高溫帶狀電纜的基本性能，擠出機機頭及模芯、模套的設計，生產工藝控制，以及高溫帶狀電纜的相關技術要點。

關鍵詞：氟塑料絕緣；耐高溫帶狀電纜；帶狀電纜性能；機頭及模芯、模套設計；工藝控制

0 引 言

帶狀電纜（ribbon cable），習慣上是指條帶狀的平行多芯線，如灰排線、彩虹線、高溫排線等。廣義地說，帶狀電纜亦應包括柔性印刷線FPC（flexible printed circuit）、柔性扁平電纜FFC（flexible flat cable）等電纜品種。

在工程實際中，帶狀電纜（ribbon cable）與扁電纜（flat cable）有時不易區分。當排線作為電纜主結構單元并帶有屏蔽、護套時，則更宜歸類于扁電纜，但仍被習慣地稱作帶狀電纜。此結構的圓形電纜也被歸入帶狀電纜而未歸入扁電纜。多芯帶狀電纜在珠三角地區又習慣稱作多并排線（pin-wire），如10并、20并排線。

由于帶狀電纜的扁平結構以及出色的柔軟耐彎折性能等，可替代線束使用，所以在國防、航天、數字通訊、機器人、醫療設備、電子設備等領域獲得廣泛應用。

帶狀電纜的核心技術是排線。普通排線技術已被絕大多數生產廠商掌握，導致價格競爭慘烈；而高溫排線難度大，僅少數生產廠商掌握，故目前仍屬高技術產品。高溫帶狀電纜是帶狀電纜中的一大類，與普通聚氯乙烯等彈性體絕緣帶狀電纜不同，通常采用氟塑料絕緣。

本文將結合國內唯一自行研制、批量生產的YDFR（Yong Ding Fluorplastics Ribbon）系列高溫帶狀電纜，著重介紹并論述氟塑料絕緣耐高溫帶狀電纜的相關技術。此外，YDFR系列氟塑料絕緣耐高溫帶狀電纜獨辟蹊徑，區別于國外唯一成熟的膜壓成型技術，采用擠管式（改進型）一次擠出成型技術。用此技術生產的YDFR系列耐高溫帶狀電纜除具有優良的耐高溫、耐化學性能外，還有優良的力學性能，特別適合在耐彎曲、耐疲勞的場合使用。

1 帶狀電纜的種類及主要技術參數

1.1 帶狀電纜的種類

常見的三種帶狀電纜如圖1所示，分別為排線，帶護層的扁形帶狀電纜，以及帶屏蔽、護套的圓形帶狀電纜。

圖1　常見的三種帶狀電纜

1.1.1 排線

（1）以灰色聚氯乙烯（PVC）為絕緣的排線，俗稱“灰排線”，是一種量大面廣的普通排線品種（見圖2），在電子電氣設備上獲得大量應用。

圖2　PVC灰排線

（2）由每根顏色各異的普通PVC絕緣單線熱壓粘結而成的排線，其色艷如天空中之“彩虹”，故俗稱“彩虹線”，能更有效、方便地區分、辨認每排芯線（見圖3）。

（3）采用氟塑料為絕緣體的排線為耐高溫排線，因其特殊的耐高溫特性（最高260℃）和優良的耐腐蝕、耐酸堿、耐化學品以及耐彎曲、耐疲勞特性等而用途廣泛（見圖1a）。氟塑料的低絕緣介電常數，也使此類帶狀電纜被用于高速數字通信。

圖3　PVC彩虹線

（4）FPC電纜，為柔性基材+扁平金屬（FPC、FFC）結構的帶狀電纜，更貼切的稱謂應是柔性線路板。絕緣基材可以是聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇、芳酰胺纖維酯和聚氯乙烯等材質。其工藝特征、生產技術異于常規電纜，同時也主要由非電纜行業企業生產提供。

（5）此外，還有其它諸如PVC絕緣雙絞線帶狀電纜（見圖4），聚酰亞胺薄膜繞包絕緣帶狀電纜（見圖5）等。因技術難度遠低于氟塑料絕緣耐高溫排線，故后文不再展開對其論述。

圖4　雙絞線帶狀電纜

圖5　聚酰亞胺薄膜繞包絕緣帶狀電纜

1.1.2 帶屏蔽、護套的扁形帶狀電纜

帶狀電纜的典型結構是排線+屏蔽+護套，以滿足其用于信號傳輸或通訊時的抗干擾之需。單一的鋁塑復合膜屏蔽相對簡單，但屏蔽效果差；某些場合必須采用金屬絲編織屏蔽，但又會因其扁平結構而使生產變得相當困難，尤其是大芯數時在工藝上無法做到。

1.1.3 帶屏蔽、護套的圓形帶狀電纜

鑒于帶狀電纜靠單一的鋁塑復合膜屏蔽無法滿足屏蔽性能要求，而采用編織屏蔽又存在非常大的工藝困難，甚至難以克服。因此，帶屏蔽、護套的圓形帶狀電纜就成為設計、生產的不二選擇（見圖1c）。

1.2 帶狀電纜與連接器的連接

帶狀電纜會因其扁平結構而采用高效可靠的絕緣刺破壓接技術，以實現與連接器的接續。特別是耐高溫帶狀電纜，各芯之間難以分離剝頭，所以采用絕緣刺破壓接連接器（如圖1b所示）更顯高效、經濟。

絕緣刺破壓接技術利用絕緣刺破連接器（IDC）的多對齒狀簧片對整根電纜的絕緣進行刺破式批量壓接，具有極高的效率及經濟性（見圖6）。

圖6　帶狀電纜與絕緣刺破式連接器的連接示意圖

1.3 帶狀電纜的主要技術參數

帶狀電纜的主要參數列于表1。由于其特殊的扁平結構以及連接方式，使得導線的線芯間距成為關鍵參數之一，對高溫帶狀電纜而言更是如此。只有線芯間距尺寸符合精度要求，才能確保絕緣刺破式連接器與其連接時，不會出現壓接短路（1對齒狀簧片同時壓接2路線芯）或斷路（齒狀簧片未壓接到相應線芯）。

表1　帶狀電纜的主要參數

2 帶狀電纜的主要生產技術

常用的帶狀電纜生產技術主要有一次擠出成型、薄膜熱壓成型、絕緣單線粘結成型等三種技術。

2.1 一次擠出成型

一次擠出成型技術是耐溫等級105℃及以下PVC、彈性體等絕緣材質帶狀電纜的主流生產技術。它直接利用普通擠出機及排線機頭，一次擠出成型。整套技術成熟易掌握，生產效率高，已被生產企業普遍掌握。所以產品的競爭相當慘烈，其中尤以灰排線為甚。

2.2 薄膜熱壓成型

薄膜熱壓成型所采用的技術是：在兩層相同材質的絕緣薄膜中間，按一定的間隔放置導電芯線，然后加熱并施以適當的壓力將兩片薄膜壓制成型。

這對那些難以采用一次擠出成型技術生產帶狀電纜的絕緣材質而言，找到了恰當的技術解決方案。例如，以氟塑料為絕緣材質的耐高溫帶狀電纜，以及前述的FFC電纜均采用此技術。

2.3 粘結成型

因采用一次成型擠出技術或薄膜熱壓成型技術均無法對每根線芯進行分色，故單色絕緣芯線要通過粘結（熱壓、膠粘劑等）才能達到多分色排線，包括彩虹線。

這類排線具有兩大特點：可對排線的每根芯線分色；芯線可根據使用要求對其撕裂后分別使用。例如50并（pin）排線，一端可接50并連接器，另一端通過簡單撕裂再分別連接多個連接器如20并、30并等，使用非常方便。

發明專利——可撕裂多分色高溫排線[1］同樣歸類于這類粘結成型技術。

3 高溫帶狀電纜

采用氟塑料絕緣如聚四氟乙烯（PTFE）、聚全氟乙丙烯（FEP）、乙烯-四氟乙烯共聚物含交聯型（ETFE）等的帶狀電纜，被稱為高溫帶狀電纜，其耐溫等級最高可達260℃。目前國內外仍只有少數廠家可以提供合格產品。

此類高溫帶狀電纜，除耐溫特性外，還借助氟塑料材質優良的耐酸堿、耐化學品特性，低介電常數以及特別好的耐彎曲、耐疲勞特性，拓展到更多的領域使用。

3.1 國內高溫帶狀電纜的現狀

如前所述，帶狀電纜通常采用三種主要生產技術。我國上世紀80年代就已引進相關技術和設備，但僅針對普通PVC排線的生產，未能在此基礎上進一步開發提升技術。因此，這些已止步的技術很難輕松如愿地在氟塑料高溫帶狀電纜生產時發揮作用。氟塑料電纜的生產，要求采用擠管式擠出工藝。但像帶狀電纜這樣扁平型的產品，根本無法采用普通氟塑料擠管式擠出工藝。另外，氟塑料的加工工藝溫度在300～400℃之間。這也使得薄膜熱壓及粘結成型連續生產工藝顯得困難重重。

國內曾有研究單位仿國外膜壓成型技術，進行過高溫帶狀電纜的開發研制，但因技術難度大而進展不順利。還有一些生產企業也圍繞高溫帶狀電纜開展了研發工作，個別企業也據此申請了發明專利[1-2］。但就目前已掌握的公開資料而言，唯有采用擠管式（改進型）一次擠出成型技術生產的YDFR系列帶狀電纜，成功推向了市場。

3.2 國際上采用的主流工藝技術

高溫帶狀電纜的生產，國際上主要采用薄膜熱壓成型技術，且已相當成熟。知名公司如Molex（莫萊克斯）公司，可以提供高品質的耐高溫帶狀電纜。其工藝技術原理是：首先將PTFE、FEP、ETFE（含交聯型）等拉制成薄膜；再于2層薄膜之間按一定間距放置導電線芯；通過加熱加壓將2層薄膜熱壓成型。只有借助連續加熱、加壓工藝，才可以進行連續生產。連續加熱加壓看似簡單，但其實是技術關鍵，屬不易突破的技術瓶頸。

這一技術的優點是產品外觀漂亮；尺寸精度高，特別是芯線間距精度高；可以采用顏色各異的2層薄膜壓制，方便使用。常見的有1層透明膜+1層淡藍色膜等的彩色高溫排線。其缺點是需進口國外上百萬美元的專用生產設備，初期一次性投入大。而國內廠商缺技術、更缺市場，所以很難下決心進口設備、引進技術。

3.3 YDFR系列高溫帶狀電纜

YDFR系列高溫帶狀電纜獨辟蹊徑，采用擠管式（改進型）一次擠出成型技術。擠管式（改進型）一次擠出成型技術，具有初期投資小、產品精度滿足要求、生產效率高、生產工藝簡單穩定等優點。但生產彩色高溫排線時調整芯線間距會比較困難，無法生產PTFE絕緣的高溫帶狀電纜，目前無法生產雙色高溫帶狀電纜等，但采用雙色擠出技術后可以滿足單邊彩色標志的要求。

4 YDFR系列高溫帶狀電纜

YDFR系列高溫帶狀電纜采用擠管式（改進型）一次擠出成型技術，可依據采用的絕緣材料FEP、ETFE、PFA分成三大產品系列，并可進一步細分成高溫排線、帶護層或帶屏蔽及護層等三種產品結構。最常用的規格參數如表2所示。

表2　YDFR系列高溫帶狀電纜的主要技術參數

4.1 導體

導體種類的選擇主要依據帶狀電纜的用途：以通信、信號傳輸為主時優先選用普通鍍銀導體或鍍銀合金導體；需特別考慮耐屈撓、耐彎曲疲勞時，則選擇超高強度鍍銀合金導體；而需兼顧兩者時，進口鍍銀合金導體是較佳選擇，但高昂的材料成本會制約對其的選用。

帶狀電纜的導體除影響電纜的電氣性能外，在電纜用于高抗屈撓、高抗彎曲時尤顯重要。YDFR系列高溫帶狀電纜通常采用四種導體：普通鍍銀銅導體（7/0.12 mm下同，抗拉強度約220 MPa）；國產鍍銀合金銅導體（約250 MPa）；進口高強度鍍銀合金銅導體（300～450 MPa及以上）；超高強度鍍銀導體（650～750 MPa及以上）。不同的抗拉強度以滿足不同的用途之需。

用于織機多臂電磁鐵的YDFR帶狀電纜，28AWG（7/0.12 mm），20pin（芯），85℃聚氨酯護套。其使用工況十分惡劣，80℃熱油中震動屈撓600～800次/min，24 h連續工作，一天的震動屈撓就超過百萬次。早期選用國產合金鍍銀銅導體的耐高溫帶狀電纜，在此工況下的使用壽命通常為三個月左右，更有短者，偶有高者。后來采用超高強度的鍍銀合金絲導體后，其預期工作壽命可提高3～5倍。

對前述帶狀電纜去除護套后，進行加速壽命模擬試驗作為技術摸底。除導體各自采用不同的材料外，其它條件相同。即對20pin排線在同一處反復對折，且每次方向相反。每次對折后用拇指及食指盡力壓扁折痕。如此反復循環，直至導電芯線斷裂。耐彎折次數的試驗結果如下：普通合金鍍銀絲芯線10～20次；超高強度鍍銀絲芯線80～100次。

該試驗方法雖不夠規范標準，但試驗結果快速、直觀，對產品的技術摸底行之有效。

4.2 絕緣

YDFR系列高溫帶狀電纜，有三種絕緣形式：PFA，FEP，ETFE（含交聯型）。對一次擠出成型技術而言，PTFE材質的直接替代者只能是PFA，別無它選。

高溫帶狀電纜絕緣材質的選用，多數場合首先是依據帶狀電纜的彎曲性能，其次才是其耐溫性能。交聯型乙烯-四氟乙烯共聚物（X-ETFE）絕緣材質的帶狀電纜，通常其耐彎曲性能要好于另兩類材質。但在我們的技術摸底試驗中，絕緣材質的影響不如導體的影響來得明顯，這仍需要積累更多的試驗數據。

4.3 屏蔽

通常，排線與絕緣穿刺連接器（IDC）配合即可滿足使用要求，但也有某些場合需要帶狀電纜具有屏蔽及相應的外護層，或僅需外護層就能滿足使用要求。在通信、信號線路的連接以及前文提及的織機電磁多臂鐵的應用中均是如此。

帶狀電纜選用鋁塑復合帶單一屏蔽，在生產工藝上相對好處理。但問題是這種單一屏蔽往往不能滿足使用要求，這時必須采用鋁塑復合帶+鍍層銅導體編織的復合屏蔽。由于帶狀電纜的扁平幾何尺寸，屏蔽編織是個頭痛且不易解決的技術難題。對灰排線、彩虹線而言，由于絕緣材質比較柔軟可以折疊排線使其變成圓形屏蔽帶狀電纜（見圖1c），從而解決了這一技術難題。但高溫帶狀電纜無法如灰排線、彩虹線般折疊，因此這樣的技術解決方案對耐高溫帶狀電纜是無效的。

目前，YDFR系列的帶狀電纜僅能實現20并（pin）及以下的鋁塑復合帶+鍍層銅導體編織屏蔽。就此而言，高溫帶狀電纜的屏蔽問題只解決了一半。當然，還有一些其它的辦法可以對此進行補救，使得多并排線帶狀電纜具有復合屏蔽性能。

4.4 護套

依使用要求，護套選用聚氨酯（TPU）或其它彈性體材料等。選用護套可提高帶狀電纜的使用壽命，如前文提及的織機電磁多臂鐵用帶狀電纜，就選用了美國諾譽TPU 58888牌號。

4.5 關鍵性能指標

高溫帶狀電纜的三大關鍵性能指標需要予以特別關注：

（1）pin間距（線芯間距）。這是帶狀電纜能否使用的先決條件。pin間距的精度確保絕緣穿刺連接器（IDC）的有效連接，使電纜具有實際工程意義。

無論前述帶狀電纜用何種生產工藝技術，pin間距都是工藝設計及控制的重點。

（2）耐屈撓、耐彎折性能。較多場合選用高溫帶狀電纜只是利用其耐屈撓、耐彎折性能，而非其耐高溫特性。

高溫帶狀電纜的這一特性更需有絕緣防開裂的工藝設計。比如絕緣的選材、材料的熔指；擠出模具的減應力設計；擠出速度及冷卻速度梯度控制等，這需要通盤的工藝設計考慮。

（3）耐溫等級。耐溫等級主要由所選絕緣材料的耐溫特性決定。在選用PFA時可實現260℃的最高耐溫特性。

除三大核心技術指標外，還有其它相關指標也有重要意義，但相對而言就顯得次要得多。在實際使用場合中，上述第（2）、（3）項指標有時并不同時苛求。

5 工藝技術

高溫帶狀電纜是一類特種用途的高技術產品。根據我們的研發經驗，擠出機頭及模芯、模套的設計是先決條件；其次是機頭及模芯、模套的機加工精度；最后才是電纜的擠出工藝控制。現就這幾個技術關鍵節點逐一介紹。

5.1 擠出機頭及模芯、模套的設計

帶狀電纜的擠管式（改進型）一次擠出成型技術，其關鍵是擠出機機頭設計，示意圖見圖7。設計時，如下節點必須予以高度關注。

（1）模芯、模套的線芯間距。這是設計重點，必須滿足（1.27±0.05）mm的核心要求。在設計圖上標識并不難，難的是對模芯、模套加工精度的苛刻要求及實際控制，否則無法得到合格產品。

（2）模套的內錐角α、模芯的外錐角β以及角差（α-β）設計控制如下（見圖7）：α≤2×50°；β≤2× 35°；α-β≤2×25°。

這是比較合理的設計，但不排除依據生產時的實際效果作相應調整。機加工條件允許時可設計成2段（雙外錐角）式模芯（即有2個外錐角β1、β2），以進一步改善擠出成品質量。

圖7　模芯模套結構示意圖

模芯、模套的角度及角差設計不合理時，絕緣料拉伸不能完全包覆導體，導體周邊將出現“眼型空隙”，即絕緣不能完全包覆導體。

此外，模套的定徑長度L對成品質量也會有影響。定徑長度要有恰當的長度，但不能太長。過長反而降低表面擠出質量。

（3）機頭流道設計必須特別顧及機頭遠端壓力降低導致擠出成品厚薄不均的問題。所以，一個通暢順滑的機頭流道也是基本保證。

5.2 擠出工藝

擠管式（改進型）一次擠出成型技術與常規的氟塑料擠管式擠出技術相似，只需控制擠出排線產品的冷卻梯度不要過大。目的是減小應力集中，降低排線開裂風險，提高耐彎曲疲勞壽命。

擠出時導體的張力平衡是整個擠出工藝的控制關鍵，特別是各導體間的平衡。其對成品質量及使用壽命均有一定的影響，不可等閑視之。因此，放線張力及收線張力均需控制。若條件許可，采用恒張力放線則是一個更好的選擇。

6 結束語

由于帶狀電纜的技術難度在于排線技術，特別是氟塑料絕緣耐高溫排線更是具有特定的技術要求，所以，到目前為止高溫帶狀電纜的生產技術仍不被一般企業所掌握，特別是國內外企業間差距更大。因此，國外企業在技術、設備、產品市場上都帶有一定的壟斷性，國內廠商不易突破。

國產YDFR系列高溫帶狀電纜，有三大系列（FEP、ETFE、PFA絕緣），三種結構（排線、排線+護套、排線+屏蔽+護套），多個規格（5～60 pin），適合多變的應用范圍。它以優良的品質和有競爭力的市場價格，給國內用戶帶來了選用便利。

參考文獻：

[1] 王開宇，錢科，朱華山.可撕裂多色高溫排線[P］.中國發明專利：CN201010193938.1，2010-06-04.

[2] 錢科，王開宇，朱華山.耐疲勞彎曲高溫帶狀扁電纜[P］.中國發明專利：CN200910053760.8，2009-06-25.

作者地址：江蘇蘇州市吳江汾湖國道路1788號[215211］.

中圖分類號：TM 246.9

文獻標識碼：A

文章編號：1672-6901（2016）04-0025-06

收稿日期：2015-10-19

作者簡介：錢 科（1957-），男，高級工程師.

Hi-Tem Ribbon Cable

QIAN Ke
（Jiangsu Etern Company Lim ited，Suzhou 215211，China）

Abstract：Ribbon cable，one typicalkind of it is that represented by common PVC insulator，the anther is that represented by fluoroplastics insulator hi-tem ribbon cable.The article introduces the basic types and parameters of ribbon cable，as well as the present state of research and production of it.The article introduces the typical performance，the design of extrusion head and tip&die，the control ofmanufacturing parameters，and technical key points of the fluoroplastics insulator hi-tem ribbon cable，according to the successful experience of development of YDFR（Yong Ding Fluorop lastics Ribbon）series high-tem ribbon cable with improving tube-on extrudingmethod.

Key words：fluoroplastics insulator；hi-tem ribbon cable；performance of the cable；design of extrusion head and tip &die；control of themanufacturing parameters