电连接器鱼眼端子插拔力及可靠性研究

2019-11-15夏远志

失效分析与预防 2019年5期

夏远志

（深圳市长盈精密技术股份有限公司，广东深圳 518103）

0 引言

电连接器作为一种关键的电子元件，主要用来连接2 个相互独立的电子或电器设备，从而实现信号的传输。近年来，连接器在电子、通信、航空航天等行业领域中的应用越来越广泛[1-2]，作为电子系统中的关键元件，其连接可靠性也日益受到关注。目前，许多高速电连接器主要采用顺应针技术来实现连接功能，其中使用最广泛的是鱼眼孔形状顺应针，简称鱼眼端子。

ANSYS WorkBench 仿真软件能够基于实体进行建模，通过对鱼眼端子和印制板孔进行模拟插拔，得出相关参数的仿真值，并能与实际值进行对比验证与优化，降低试验周期，节省成本，对鱼眼端子连接器的开发提供理论技术支持。

1 工作原理及设计要求

图1 为带鱼眼端子的一款电连接器的三维示意图和实物图，鱼眼端子由其界面拓扑结构构成接触弹簧功能[3]，通过该“接触弹簧”与印制板孔产生较大的接触压力，形成免焊结构，获得良好的机械连接性能和导电性能，从而实现电连接器与印制板的可插拔连接[4-5]。

图 1 电连接器及鱼眼端子图Fig.1 Electrical connector and fish-eye-hole compliant pin

免焊插拔不是无限次的，通常情况下，对连接器鱼眼的要求是在其插入印制板有限次后，印制板孔的变形半径和残余铜（由于插合过程中鱼眼铜材被刮落）的厚度必须满足相应要求，而印制板孔的变形半径和残余铜不好直接测量，可以通过插合过程中的插拔力指标来体现。插拔力有如下要求：1）为了保证鱼眼端子插入0.75 mm 印制板孔不至于被损坏，其插入力应小于10 N；2）为了保证鱼眼端子插入0.75 mm 印制板孔不至于脱落，其拔出力应大于2 N。图2 为鱼眼端子装配示意图，n 为鱼眼端子宽度，m 为印制板孔径，F 为插入力，P 为“接触弹簧”对印制板孔壁的压力[6]。

图 2 鱼眼端子装配示意图Fig.2 Assembly diagram of fish-eye-hole compliant pin

2 鱼眼端子插拔过程的有限元分析

2.1 几何模型的建立

插拔力是保证连接器电气性能的关键指标，基于实际情况建立的鱼眼端子压入印制电路板的仿真模型，目的是通过仿真分析校核某款尺寸插针符合和设印计制要板求孔[7的]。插合强度，并分析其插拔力是否

表 1 插针、孔尺寸Table 1 Pin and hole dimensions mm

为提高计算速率，考虑到模型的对称性，将其简化为1/4 模型，同时分别赋予其相应的材料属性。

2.2 边界条件和激励载荷

在设置模型边界条件时，将对称面设置成无摩擦支撑，将印制板的底面施加固定约束，同时在鱼眼端子上端面设置位移约束，其中，X、Z 方向设置为0 mm，Y 方向上设置为0.9 mm。整个插拔过程设定成10 个载荷步，每个载荷步分为1～20 个子步，整个过程在2 s 内完成，前1 s 是插入过程，后1 s 为分离过程。

2.3 网格划分

该模型采用自由网格划分方法，整个网格大小设置为0.06 mm，为提高计算精度，在关键接触面处采用网格细化技术将网格细化[8]，网格划分结果如图3 所示。

图 3 网格划分Fig.3 Mesh generation

2.4 仿真结果

为简化仿真模型，选取1/4 的针孔模型进行对比分析，结果如图4 所示。

图4 是2 种不同尺寸插针、插孔对应的插拔力曲线，横坐标为鱼眼端子与印制板孔配合时间，单位为s，纵坐标为鱼眼端子与印制板孔之间的插拔力，单位为N。由图可以看出不同尺寸插针、插孔对应的插入力和分离力数据（由于模型为1/4 模型，图中数据需乘以4 即为最终值），如表2 所示。

由表2 可知，插针、插孔插合时，其模拟值和实测值的插入力和拔出力均满足电连接器的性能要求，经仿真计算和实测值对比可知，仿真值与实测值相差不大，说明该仿真模型是合理的，能为鱼眼端子的进一步研究提供理论计算支持。

图 4 2 种不同尺寸插针、插孔对应的插入力和分离力曲线Fig.4 Plugging force and separation force curves of two pins and holes with different size

图5 为2 种针分别插入印制板孔的仿真结果对比图。由图5a、图5b 等效总变形图可知，其等效总变形量在1.00～1.78 mm 之间；由图5c、图5d 等效应变图可知，其等效应变在0.003～0.005 之间，插合接触面变形量满足电连接可靠性设计要求。图5e、图5f 为等效应力图，表3 为2 种针分别插入印制板孔的最大等效应力值对比。

表 2 插入力和分离力模拟值和实测值对比表Table 2 Comparison between simulated and measured values of plugging and separation forces N

经对比分析，2 种针孔件插合后最大等效应力分别为514.78、341.06 MPa，均小于材料C5210 的许用抗拉强度，端子材料的可靠性满足产品设计要求。

3 圆角对鱼眼端子插拔力和可靠性的影响

图 5 2 种针和孔仿真结果对比Fig.5 Comparison of simulation results of two kinds of pins and holes

表 3 2 种针和孔最大等效应力对比Table 3 Comparison of maximum equivalent stresses of two pins and holes MPa

针对四周圆角大小对鱼眼端子在插拔过程中对插拔力的影响，基于上述有限元模型，在保证其他结构参数不变的情况下，调整鱼眼端子四周圆角大小分别为0.03、0.07 mm，使用ANSYS Workbench软件进行仿真分析，并与实际试验情况进行对比，旨在研究不同圆角大小对端子可靠性及插拔力的影响。图6 为鱼眼端子四周圆角示意图。

图 6 鱼眼端子四周圆角图Fig.6 Round corners of fish-eye-hole compliant pin

图7 为端子四周圆角为0.03、0.07 mm 时端子的等效应力云图，图8 为鱼眼端子四周圆角为0.03、0.05、0.07 mm 时插合试验后实物图，图9 为不同圆角端子插拔力大小条形图。从图7a 可以看出，当圆角为0.03 mm 时，其最大等效应力分布点位于圆角处，这不利于端子和印制板孔接触的稳定性，从图8a、图9 可以看出，圆角过小，导致端子非圆角区域宽度过小，使端子在插入过程中对印制板孔产生轻微剪切作用，从而使插入力和分离力偏大[9-11]；从图7b 可以看出，当圆角为0.07 mm时，其最大等效应力分布点位于端子厚度方向，且有微小变形，这有利于端子和印制板孔的接触稳定性，但从图8c、图9 可以看出，圆角过大，PCB孔变形较大，其分离力偏大，大小为10.5 N，不利于端子拔出；当圆角为0.05 mm 时，满足产品要求。