高速背板连接器接触件优化设计

许彬彬，林俊渊，李玉龙，李长江

（深圳市通茂电子有限公司，广东 深圳 518109）

0 引言

传统的CPCI 连接器已无法满足要求，基于VITA46 总线标准的VPX 高速背板连接器，全部采用高速高密度接触件，大幅度提高了系统带宽及系统设计的灵活性，支持高速串行Rapid IO、PCIE 通信协议等，并具有很好的通用性以及可扩展性，已在雷达装备中得到广泛的应用。目前使用的连接器为Tyco的RT2(VPX)连接器，传输速率为10Gbps，已难以满足新一代雷达装备10GBASE-KR 以太网（10.3125Gbps）的传输要求，而且随着贸易战的升级，国家要求军工装备采用国产化元器件，为了保证可靠性，应某总体单位的要求，我们在RT2(VPX)的基础上，研制VPX20 高速背板连接器，传输速率可达20Gbps，满足新装备的使用要求[1-2]。

为解决和提高该连接器使用性和可靠性提供技术支撑，本文以VPX20 高速背板连接器为研究对象，对接触件的模态、插入力、分离力、鱼眼端子的压入力和保持力进行全面优化，提高产品的可靠性。

1 VPX20 连接器介绍

VPX20 高速背板连接器具有以下优势：（1）传输速率可达20Gbps，支持更高的带宽。（2）管脚定义符合VITA46/48/65，PCB 封装兼容国内外的同类产品，满足通用化的要求。（3）可按用户需要组合成3U、4U、6U 等前后背板/子板的配置。（4）连接器为“无针”连接模式，采用PCB 晶片和接触弹片作为传输介质，PCB 晶片采用差分耦合微带线结构作为载体进行信号互连和传输，硅晶片的材料采用高频介质M6。（5）连接器的接触件包括插头的音叉接触件和接触弹片接触件，音叉和弹片与印制板之间的连接通过鱼眼端子进行连接，鱼眼端子压入PCB 过孔，即可连接，为免焊结构。

2 模态优化

研究结果表明，连接器上的金属弹片本体会有几段固有频率，当某一段频率值正好和外界施加的激励振动频率值相近时，共振模态就会出现，当这种外力在连接器的接触对上时，尤其当接触对是弹性元件时，产生的大变形，造成电接触瞬间脱离而导致接触出现脱离的现象，从而造成电路断开[3]。因此，有必要通过ANSYS 软件的Modal 模态分析研究接触弹片的固有共振频率，避免出现共振。优化后的模态分析如下，各阶模态都不在使用要求的10 ～2000Hz 之间，符合设计要求。

3 插拔力优化

3.1 啮合过程的接触分析

当插头插入插座的过程中，PCB 晶片的金手指逐渐与插座的接触弹片发生接触，插入力为啮合过程中压缩接触弹片变形的弹力和两者的摩擦力之和，两个相互接触的表面在微观上仅是各峰顶的点接触[4]。首先是若干个峰顶相互接触，随着插入深度的增加，接触压力也不断增加，相当一部分的峰顶由弹性变形转为塑性变形，随着接触峰顶的增加，接触面积增大，单位面积上压力减少，最终形成电接触稳定状态[5]。当连接器拔出时，金手指主要克服其摩擦力，因此，分离力F分离力通常比插入力小，连接器的正压力F是保持可靠接触的关键，但难以直接测量，由式（1）可知，分离力与正压力成正比，工程应用中通过控制分离力的最小值，确保接触可靠性，插入力如果太大就不利于产品的正常使用，需要控制插入力的最大值。

3.2 力学分析

VPX20 高速背板连接器由多个接触对阵列而成，为简化分析，选取一对接触对进行受力分析，如图3。区别于RT2 产品，VPX20 产品的弹片为双凸点结构，双凸点结构可以减少接触对的“残桩”，提高产品的传输速率，第一个凸点主要影响产品的插入力，第二个凸点主要影响产品的分离力[6]。

头座插合后，接触弹片发生弹性变形形成接触压力。将连接器内部接触件简化成悬臂梁结构，如图4 。其产生的接触压力F用式（2）表示：

式中：E—弹性模量；I—横截面的惯性矩；L—悬臂梁长度； —挠度；F—接触压力。

3.3 仿真优化

建立三维模型，设置凸点的弹高尺寸进行参数化扫描，通过ANSYS 进行静力学分析，寻求优化解。根据实际材料情况，插座弹片材料选用为磷青铜（C5191），插座绝缘体材料选用为液晶聚合物LCP，PCB 晶片材料为M6-5775 材料，设置插座绝缘体和PCB 晶片为刚性体模型，设置的密度、弹性模量等材料参数，有限元模型如图5。PCB 晶片和弹片之间进行接触对设置，摩擦系数设置为0.15，打开大变形选项，求解非线性模型。

4 鱼眼端子优化

4.1 接触分析

高速连接器主要采用顺应针结构来实现连接功能，其中使用最广泛的是鱼眼孔形状顺应针，简称鱼眼端子，鱼眼端子由其界面拓扑结构构成接触弹簧功能，通过接触弹簧与印制板过孔形成免焊结构，产生较大的接触压力，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靠连接[7-8]。本文选取插头的鱼眼端子进行研究。

4.2 力学分析

鱼眼端子压入印制板压接孔后，其力学模型可以简化成简支梁结构，如图7。

简支梁的最大挠度和正压力的关系如式（3）：

式中，P—正压力，L—简支梁长度，E—材料弹性模量，I—惯性矩。对于宽度为b，高度为h 的矩形截面，其惯性矩如式（4）：

式中，b—梁的厚度，h—梁在受力方向上的厚度。由此可得，鱼眼端子在插拔力理论计算如式（5）：

式中，F—插拔力，F1—端子与孔间作用力在轴向上的分量，u—摩擦系数，P—正压力。

4.3 仿真优化

将三维模型导入ANSYS Workbench 中，鱼眼端子采用磷青铜（C5191），端子接触区域四周倒圆角，设置其参数化扫描范围为0.02 ～0.08mm；印制板金属化过孔等效为铜合金材料。由于模型是对称性的，将其简化为1/4 模型，可以提高计算速率。求解后其等效应力云如图8。

根据端子的等效应力云图，当圆角为0.02mm 时，其最大应力分布点位于圆角处，且圆角处严重变形，圆角与PCB 过孔之间产生“犁削”；当圆角为0.08mm时，其最大等效应力分布点位于端子厚度方向的平面上，而且其平面的宽度只有0.04mm，平面与PCB 过孔之间产生“犁削”。这两种“犁削”现象都是应该避免的，都无法提供稳定的电接触。因此，考虑产品的使用要求和模具加工能力，将端子圆角尺寸确定为0.03 ～0.07mm。鱼眼端子的压入力为9.7 ～12.7N，保持力为3.4 ～4.0N；产品的技术要求鱼眼端子的压入力≤15N，保持力≥3N，设计合理。

从图9 和图10 中可以看出，产品优化前存在明显的“犁削”现象，优化后，产品在实际使用过程中不存在“犁削”现象，可以保证鱼眼端子和过孔之间的可靠接触。

5 振动试验

通过以上接触件的优化设计，我们为了验证接触件的接触可靠性，将产品按GJB1217A-2009 中试验方法2005 中随机振动功率谱密度0.2G2/Hz 的要求进行X、Y、Z方向的振动试验，振动过程中Y方向出现了大于1μs 的，按模态分析、插拔分析和鱼眼端子的压接分析，可知，产品的共振频率、插入力和分离力和压接效果都符合要求，振动过后，产品的接触电阻变得非常大，而且PCB 晶片的金手指有明显磨损现象，导致失效原因应该是微动磨损引起的，接触弹片中间冲孔的位置有点侧翻，其锐边在Y方向的振动过程中，在两接触体的表面之间进行小幅度振荡运动，反复摩擦接触表面，导致接触电阻逐渐变大，当接触电阻大于瞬断仪的检测电阻（7Ω）就会产生瞬断。将弹片的冲孔位置整平后，产品的随机振动无瞬断。

6 结论

本文VPX20 连接器为研究对象，对该连接器进行了力学建模和仿真分析，主要分析了接触件的模态、插入力、分离力、鱼眼端子的压入力和保持力等机械性能，采用ANSYS 仿真软件对接触件进行参数化力学仿真并确定优化解。根据振动试验中的微动摩擦失效进行改进，将接触面整平，最终通过随机振动试验，符合可靠性要求。