微型SD存储卡连接器常见侦测端子设计探讨

徐 祥

(安费诺(常州)高端连接器有限公司上海分公司，上海闵行，201103)

1 微型SD存储卡介绍

微型SD存储卡，英文名称Micro SD Card，原名Trans-flash Card(TF卡)，2004年正式更名为Micro SD Card，由SanDisk(闪迪)公司发明。由于其外形尺寸较小，所以广泛应用于移动智能终端设备存储数据。微型SD存储卡的外形尺寸和接触区金手指定义如图1所示。

图1 微型SD卡主要尺寸和接触区金手指定义

2 微型SD存储卡连接器类型

微型SD存储卡连接器，是用来放置存储卡的连接器。由于移动智能终端种类繁多，为了满足不同设备的需求，从对存储卡的操作方式上来看，目前市面上的微型SD存储卡连接器主要有三种，即翻盖式、插入时、推进推出式，如图2所示。从连接器的复杂程度来看，推进推出式微型SD连接器的结构是最复杂的。而从用户操作的方便性来看，推进推出式连接器，是操作最方便的。推进推出式微型SD存储卡连接器一般都会设置侦测端子，这也是本文讨论的重点，对于此类连接器其他方面的结构，本文不做讨论。

图2 常用的微型SD卡连接器种类

3 微型SD存储卡连接器侦测端子阐述

当微型SD存储卡连接器设置有侦测端子时，产品可以支持热插拔功能，可以在移动智能终端设备电源不关闭的情况下进行插拔存储卡。当存储卡插入或者拔出时，两个侦测端子会接触或者分离，从而侦测电路会给移动智能终端设备发送信号，从而判断存储卡是否在设备里面。在连接器上，侦测端子都是成对出现的。如图3所示，为推进推出式微型SD存储卡连接器侦测端子典型设计，在存储卡插入连接器的过程中，存储卡会先接触侦测端子1，并推动侦测端子1与侦测端子2 接触，从而实现移动智能终端对存储卡的插入侦测。

图3 微型SD存储卡连接器侦测端子

对于侦测端子，常见的有常闭和常开侦测端子，如图4所示。常开侦测端子设计，因为其可靠性高，在连接器上是最为常见的一种设计。常闭侦测端子因为在SMT的焊接过程中会出现一些品质问题，所以很少会应用到实际产品中。

图4 侦测端子的类型

在微型SD存储卡插入连接器的过程中，信号端子和侦测端子在接触顺序上也是有严格要求的。只有在所有的信号端子都接触上以后，侦测端子才能接触；而在存储卡退出连接器的过程中，侦测端子先与卡分离，信号端子才会与卡分离。这是侦测端子设计的基本原则，只有这样，才能确保存储卡的安全插拔。

4 微型SD存储卡连接器侦测端子的设计探讨

微型SD存储卡连接器侦测端子对连接器的重要性不言而喻，所以对侦测端子的可靠性设计的研究是存储卡连接器功能得以可靠实现的基础。受连接器产品尺寸的限制，侦测端子在连接器上的放置位置也是有局限性的。

4.1 侦测端子在连接器上可以放置的位置

如图5所示，为微型SD卡连接器的基座，在基座上A、B两个区域都是可以放置侦测端子的区域。具体放置的区域，可以根据客户的要求进行选择。但一般来说，连接器厂家都会选定一个区域，做出一个稳定可靠的设计来推向市场。

图5 侦测端子放置位置

而侦测端子在连接器上放置的位置，也决定了侦测端子工作的时候，侦测端子1与存储卡接触的位置。如图6所示，A′与图五的A相对应。而对于侦测端子放置在B的位置，则是通过存储卡位置B′推动存储卡上的另外一个零件心型槽，心型槽与侦测端子1发生作用(心型槽是推进推出机构的一个核心零件，本文不做讨论)。

图6 侦测端子1与存储卡接触的位置

4.2 微型SD卡连接器上常见类型及侦测端子设计

图7是市面上五种有代表性的推进推出微型SD卡连接器。其侦测端子的设计都不相同，不同的设计，侦测端子的工作方式是不一样的，同时也决定了侦测端子工作的可靠性。针对这五款侦测端子设计只进行探讨，对其设计上的缺陷的优化，不做讨论。对于类型5的产品，是本人在一家连接器公司工作期间负责的一个项目，这款产品的侦测端子的设计充分结合微型存储卡连接器本身的特点，充分理解侦测端子的工作原理所得出的一个稳定可靠的设计。

本文后面的内容通过对各侦测端子的结构分析以及FEA仿真分析，可以看出各种侦测端子设计的优缺点。

图7 常见的推进推出微型SD卡连接器

4.2.1 类型1微型SD卡连接器侦测端子设计说明

如图8所示，存储卡插入连接器中，存储卡推动心型槽向前，同时心型槽推动侦测端子1向侦测端子2 靠近直至两个侦测端子相互接触。这是比较常见的一种侦测端子的设计方式，只要两个侦测端子之间的间隙以及两个侦测端子之间的接触力能够得到保证，其应用可靠性还是有保证的。

图8 类型1微型SD卡连接器侦测端子

4.2.2 类型2微型SD卡连接器侦测端子设计说明

如图9所示，一家日本的连接器厂商的设计。当存储卡插入连接器中，存储卡推动侦测端子1向侦测端子2 靠近，侦测端子1会通过端子上的接触区1，与侦测端子2上的接触区2相互接触。两个端子之间的接触方式跟常规的侦测端子接触方式不一样的，是通过侦测端子1上的接触区向下推动侦测端子2，从而使两个侦测端子形成接触。这样的设计，侦测端子的接触方向与卡的插拔方向垂直。这种设计存在的缺点有两个方面，一是侦测端子1在存储卡插拔过程中，所受的变形量很大，所以说对侦测端子1的材料选择要求也相当高，如果材料选择不足以承受大变形量，端子会产生塑性变形，材料选择太好，则会增加产品的成本。另外一个方面的缺点则是由于两个侦测端子的接触方式导致的，这样的接触方式，对于两个端子之间的接触力有要求，接触力不能太高，否则两个端子在退卡的过程中不能分离。同时，也要求侦测端子1的接触区表面要非常光滑，这也增加了冲压加工的难度。在实际应用中，两个侦测端子卡死的现象是存在的。

图9

4.2.3 类型3微型SD卡连接器侦测端子设计说明

如图10所示，存储卡插入连接器中，存储卡推动侦测端子1向侦测端子2 靠近直至两个侦测端子相互接触。与类型2的侦测端子设计类似，区别在于侦测端子的1和2的接触方式不同。其设计上的缺点，除了类型2的侦测端子的1和2有时会出现卡住的异常外，两种设计的其他缺点都是相同的。

图10 类型3微型SD卡连接器侦测端子

4.2.4 类型4微型SD卡连接器侦测端子设计说明

如图11所示，侦测端子的设计是利用连接器上VSS端子作为侦测端子1，在VSS端子的前下方放置侦测端子2。 当存储卡插入连接器中，卡的VSS接触区的金手指会先跟VSS端子接触，在VSS端子变形的过程中，VSS端子头部会与侦测端子2接触，从而使连接器的侦测功能得以实现。这种设计，侦测端子2与VSS端子头部的间隙要控制的很好，否则会发生侦测端子2与VSS端子头部接触不到，或者即使接触上了，两个端子间的接触力很小，从而导致侦测失效的异常。从成本角度来讲，此设计的成本是有优势的。

图11 类型4微型SD卡连接器侦测端子

4.2.5 类型5微型SD卡连接器侦测端子设计说明

如图12所示，侦测端子的设计是利用连接器上VSS或者VDD端子作为侦测端子1， 在VSS或者VDD端子对面放置侦测端子2。当存储卡插入连接器中，卡的VSS或者VDD接触区会先跟信号端子VSS或者VDD接触，然后再跟侦测端子2方案一或者侦测端子2方案二接触，从而使得两个侦测端子通过卡上的金属层形成通路。这种侦测端子的方案设计，充分利用了存储卡上接触区金手指的长度，让两个侦测端子通过金手指导通，使其可靠性得到充分保证，同时产品的成本也会有很大的竞争力。

图12 类型5微型SD卡连接器侦测端子

4.3 常见的侦测端子力学性能仿真

上一节对五种侦测端子的结构进行了分析，得出各种侦测端子结构上的优缺点。本节是针对五种侦测端子，进行对比力学仿真分析，主要目的在于了解每个侦测端子设计的力学性能，从而可以判断其性能的可靠性。这也可以对各侦测端子有个全面的了解。

为了使仿真分析的结果具有可比较性，对五种侦测端子的仿真分析选用的材料是相同的。仿真分析选用的材料为C52100-H06，为连接器常用的磷青铜合金，材料的抗拉强度为700～755MPa，分析的时候取值728MPa，杨氏模量为106GPa。

从机械性能上来讲，影响侦测端子工作可靠性的因素有侦测端子1和侦测端子2之间的接触力，以及侦测端子在工作状态下的应力状态。所以针对仿真分析的结果，我们重点讨论侦测端子工作状态下的接触力和应力。

仿真选用的软件是Ansys workbench 15.0，仿真分析的过程包括，侦测端子模型简化，FEA建模，分析以及结果导出分析。分析前，对侦测端子的模型进行了简化，以用于软件进行仿真分析，FEA简化模型如图13所示。

图13 侦测端子FEA简化模型

4.3.1 类型1微型SD卡连接器侦测端子力学性能仿真

如图14，类型1侦测端子仿真结果所示，在存储卡处于工作状态时，两个侦测端子之间的接触力很小，只有0.12N左右(0.26-0.14)，一般对于镀金产品，接触力一般都要求在0.3N以上，这么低的接触力已经很难保证存储卡安全可靠的工作。而对应的侦测端子工作时的应力，处于低应力区，这与端子之间的接触力较低的结果是相互吻合的。

图14 类型1侦测端子仿真结果

4.3.2 类型2微型SD卡连接器侦测端子力学性能仿真

如图15，类型2侦测端子仿真结果所示，在存储卡处于工作状态时，侦测端子之间的接触力为0.34N，属于合理范围，可以保证侦测功能的实现。

而对与侦测端子1的接触力，是其与存储卡在工作状态下的接触力，其大小对侦测功能没有影响。对于侦测端子的应力状况，侦测端子1的应力处于高应力状态，有塑性变形的风险，侦测端子2的应力状况处于低应力状态。

图15 类型2侦测端子仿真结果

4.3.3 类型3微型SD卡连接器侦测端子力学性能仿真

如图16，类型3侦测端子仿真结果所示，此设计与类型2有点相似，不同之处在于侦测端子之间的接触方式不同。对于此设计，在存储卡处于工作状态时，两个侦测端之间的接触力为0.28N(0.34-0.06)，稍小于安全值，可以优化。而对于高中状态下的应力，两个侦测端子的变形量都较大，使得侦测端子在工作状态时处于高应力区，端子易产生塑性变形，从而会影响侦测端子的侦测功能。

图16 类型3侦测端子仿真结果

4.3.4 类型4微型SD卡连接器侦测端子力学性能仿真

如图17，类型4侦测端子仿真结果所示，在存储卡处于工作状态时，侦测端子之间的接触力为4.6N(5.1-0.5)，接触力太大，导致这种状况的原因在于，侦测端子2的悬臂梁长度较短。而对于应力状况，很明显，侦测端子2在工作状态时，处于很高的应力状态，在这种状况下，侦测端子2的塑性变形是不可避免的。可见，此设计不能保证产品的侦测功能。

图17 类型4侦测端子仿真结果

4.3.5 类型5微型SD卡连接器侦测端子力学性能仿真

如图18，类型5侦测端子仿真结果所示，在存储卡处于工作状态时，两个侦测端子与存储卡金手指之间的接触力都在0.4N左右，属于合理范围。且在工作状态下，接触端子的应力均处于合理的应力范围。此设计是在充分理解侦测端子的工作原理的基础上，结合微型SD卡连接器的特点，得出的一个设计方案，在保证连接器功能的前提条件下，使得连接器的设计更加安全可靠，从结构方面来讲，这个侦测端子的设计无疑是最可靠的一种设计。针对此设计，在产品设计完稿后，申请专利，专利号为：ZL 200520046792.2。

图18 类型5侦测端子仿真结果

5 结语

连接器的设计涉及很多方面，有单个零件的结构设计，有零件的配合设计，还有产品的某些功能方面的设计。每一个环节的设计都对连接器的可靠性有决定性作用，本文对侦测端子的分析，就说明了每一个设计环节的重要性。从对侦测端子的优缺点分析过程来看，我们可以得到这样的启发，在进行产品设计的时候，需要对产品的功能有充分的分析，明确功能实现的原理，同时需要对市场现有产品进行充分的分析，这样才能得到一个稳定可靠的设计。