夏遠(yuǎn)志

（深圳市長(zhǎng)盈精密技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518103）

0 引言

電連接器作為一種關(guān)鍵的電子元件，主要用來(lái)連接2 個(gè)相互獨(dú)立的電子或電器設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。近年來(lái)，連接器在電子、通信、航空航天等行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]，作為電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，其連接可靠性也日益受到關(guān)注。目前，許多高速電連接器主要采用順應(yīng)針技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)連接功能，其中使用最廣泛的是魚眼孔形狀順應(yīng)針，簡(jiǎn)稱魚眼端子。

ANSYS WorkBench 仿真軟件能夠基于實(shí)體進(jìn)行建模，通過(guò)對(duì)魚眼端子和印制板孔進(jìn)行模擬插拔，得出相關(guān)參數(shù)的仿真值，并能與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證與優(yōu)化，降低試驗(yàn)周期，節(jié)省成本，對(duì)魚眼端子連接器的開(kāi)發(fā)提供理論技術(shù)支持。

1 工作原理及設(shè)計(jì)要求

圖1 為帶魚眼端子的一款電連接器的三維示意圖和實(shí)物圖，魚眼端子由其界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成接觸彈簧功能[3]，通過(guò)該“接觸彈簧”與印制板孔產(chǎn)生較大的接觸壓力，形成免焊結(jié)構(gòu)，獲得良好的機(jī)械連接性能和導(dǎo)電性能，從而實(shí)現(xiàn)電連接器與印制板的可插拔連接[4-5]。

圖 1 電連接器及魚眼端子圖Fig.1 Electrical connector and fish-eye-hole compliant pin

免焊插拔不是無(wú)限次的，通常情況下，對(duì)連接器魚眼的要求是在其插入印制板有限次后，印制板孔的變形半徑和殘余銅（由于插合過(guò)程中魚眼銅材被刮落）的厚度必須滿足相應(yīng)要求，而印制板孔的變形半徑和殘余銅不好直接測(cè)量，可以通過(guò)插合過(guò)程中的插拔力指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。插拔力有如下要求：1）為了保證魚眼端子插入0.75 mm 印制板孔不至于被損壞，其插入力應(yīng)小于10 N；2）為了保證魚眼端子插入0.75 mm 印制板孔不至于脫落，其拔出力應(yīng)大于2 N。圖2 為魚眼端子裝配示意圖，n 為魚眼端子寬度，m 為印制板孔徑，F(xiàn) 為插入力，P 為“接觸彈簧”對(duì)印制板孔壁的壓力[6]。

圖 2 魚眼端子裝配示意圖Fig.2 Assembly diagram of fish-eye-hole compliant pin

2 魚眼端子插拔過(guò)程的有限元分析

2.1 幾何模型的建立

插拔力是保證連接器電氣性能的關(guān)鍵指標(biāo)，基于實(shí)際情況建立的魚眼端子壓入印制電路板的仿真模型，目的是通過(guò)仿真分析校核某款尺寸插針?lè)虾驮O(shè)印計(jì)制要板求孔[7的]。插合強(qiáng)度，并分析其插拔力是否

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

為提高計(jì)算速率，考慮到模型的對(duì)稱性，將其簡(jiǎn)化為1/4 模型，同時(shí)分別賦予其相應(yīng)的材料屬性。

2.2 邊界條件和激勵(lì)載荷

在設(shè)置模型邊界條件時(shí)，將對(duì)稱面設(shè)置成無(wú)摩擦支撐，將印制板的底面施加固定約束，同時(shí)在魚眼端子上端面設(shè)置位移約束，其中，X、Z 方向設(shè)置為0 mm，Y 方向上設(shè)置為0.9 mm。整個(gè)插拔過(guò)程設(shè)定成10 個(gè)載荷步，每個(gè)載荷步分為1～20 個(gè)子步，整個(gè)過(guò)程在2 s 內(nèi)完成，前1 s 是插入過(guò)程，后1 s 為分離過(guò)程。

2.3 網(wǎng)格劃分

該模型采用自由網(wǎng)格劃分方法，整個(gè)網(wǎng)格大小設(shè)置為0.06 mm，為提高計(jì)算精度，在關(guān)鍵接觸面處采用網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)將網(wǎng)格細(xì)化[8]，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。

圖 3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation

2.4 仿真結(jié)果

為簡(jiǎn)化仿真模型，選取1/4 的針孔模型進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 是2 種不同尺寸插針、插孔對(duì)應(yīng)的插拔力曲線，橫坐標(biāo)為魚眼端子與印制板孔配合時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)為魚眼端子與印制板孔之間的插拔力，單位為N。由圖可以看出不同尺寸插針、插孔對(duì)應(yīng)的插入力和分離力數(shù)據(jù)（由于模型為1/4 模型，圖中數(shù)據(jù)需乘以4 即為最終值），如表2 所示。

由表2 可知，插針、插孔插合時(shí)，其模擬值和實(shí)測(cè)值的插入力和拔出力均滿足電連接器的性能要求，經(jīng)仿真計(jì)算和實(shí)測(cè)值對(duì)比可知，仿真值與實(shí)測(cè)值相差不大，說(shuō)明該仿真模型是合理的，能為魚眼端子的進(jìn)一步研究提供理論計(jì)算支持。

圖 4 2 種不同尺寸插針、插孔對(duì)應(yīng)的插入力和分離力曲線Fig.4 Plugging force and separation force curves of two pins and holes with different size

圖5 為2 種針?lè)謩e插入印制板孔的仿真結(jié)果對(duì)比圖。由圖5a、圖5b 等效總變形圖可知，其等效總變形量在1.00～1.78 mm 之間；由圖5c、圖5d 等效應(yīng)變圖可知，其等效應(yīng)變?cè)?.003～0.005 之間，插合接觸面變形量滿足電連接可靠性設(shè)計(jì)要求。圖5e、圖5f 為等效應(yīng)力圖，表3 為2 種針?lè)謩e插入印制板孔的最大等效應(yīng)力值對(duì)比。

表 2 插入力和分離力模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比表Table 2 Comparison between simulated and measured values of plugging and separation forces N

經(jīng)對(duì)比分析，2 種針孔件插合后最大等效應(yīng)力分別為514.78、341.06 MPa，均小于材料C5210 的許用抗拉強(qiáng)度，端子材料的可靠性滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

3 圓角對(duì)魚眼端子插拔力和可靠性的影響

圖 5 2 種針和孔仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of simulation results of two kinds of pins and holes

表 3 2 種針和孔最大等效應(yīng)力對(duì)比Table 3 Comparison of maximum equivalent stresses of two pins and holes MPa

針對(duì)四周圓角大小對(duì)魚眼端子在插拔過(guò)程中對(duì)插拔力的影響，基于上述有限元模型，在保證其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，調(diào)整魚眼端子四周圓角大小分別為0.03、0.07 mm，使用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行仿真分析，并與實(shí)際試驗(yàn)情況進(jìn)行對(duì)比，旨在研究不同圓角大小對(duì)端子可靠性及插拔力的影響。圖6 為魚眼端子四周圓角示意圖。

圖 6 魚眼端子四周圓角圖Fig.6 Round corners of fish-eye-hole compliant pin

圖7 為端子四周圓角為0.03、0.07 mm 時(shí)端子的等效應(yīng)力云圖，圖8 為魚眼端子四周圓角為0.03、0.05、0.07 mm 時(shí)插合試驗(yàn)后實(shí)物圖，圖9 為不同圓角端子插拔力大小條形圖。從圖7a 可以看出，當(dāng)圓角為0.03 mm 時(shí)，其最大等效應(yīng)力分布點(diǎn)位于圓角處，這不利于端子和印制板孔接觸的穩(wěn)定性，從圖8a、圖9 可以看出，圓角過(guò)小，導(dǎo)致端子非圓角區(qū)域?qū)挾冗^(guò)小，使端子在插入過(guò)程中對(duì)印制板孔產(chǎn)生輕微剪切作用，從而使插入力和分離力偏大[9-11]；從圖7b 可以看出，當(dāng)圓角為0.07 mm時(shí)，其最大等效應(yīng)力分布點(diǎn)位于端子厚度方向，且有微小變形，這有利于端子和印制板孔的接觸穩(wěn)定性，但從圖8c、圖9 可以看出，圓角過(guò)大，PCB孔變形較大，其分離力偏大，大小為10.5 N，不利于端子拔出；當(dāng)圓角為0.05 mm 時(shí)，滿足產(chǎn)品要求。

圖 7 不同圓角端子等效應(yīng)力圖Fig.7 Equivalent stress diagram of different round corners

圖 8 不同圓角端子插合試驗(yàn)后實(shí)物圖Fig.8 Different fish-eye-hole compliant pins after plugging test

4 結(jié)論

1）通過(guò)建立端子壓入印制板孔的有限元模型，仿真計(jì)算得出端子的力學(xué)性能和插拔力滿足產(chǎn)品要求，為魚眼端子設(shè)計(jì)提供理論支持。

2）對(duì)端子不同圓角進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究可知：圓角過(guò)小，不利于保證端子的電接觸性能；圓角過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致分離力偏大，不利于端子和印制板的分離。該仿真模型及相關(guān)參數(shù)可以為魚眼端子設(shè)計(jì)提供理論支撐，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約成本。

圖 9 不同圓角端子插拔力大小條形圖Fig.9 Plugging forces of fish-eye-hole compliant pins with different round corners