1引言

铜材是制作连接器导电核心零件—接触件的基础材料，其品质是直接影响连接器接触件电接触可靠性的关键因素。在所有影响因素中，接触件铜材品质是最根本的，也是最基础的。由于我国连接器产品过去以仿制为主，照搬照抄国外产品标准规范，缺乏对电连接器接触件铜材应用基础研究，面对众多进口材料，我国具有自主知识产权、能等效替代进口的材料创新研究非常薄弱。导致用国产铜材制作的连接器往往是“形似质差”。

随着国家供给侧结构性改革深化，人们在充分理解基础材料对保证连接器产品质量重要性同时，也越来越认识到选用国产接触件铜材替代进口的紧迫性。即必须从战略发展分析考虑解决制约我国连接器发展的瓶颈之一，接触件铜材选择和来源问题。

要解决国产接触件铜材选择和来源问题，实现高端电连接器接触件铜材替代进口目标。必须首先深刻认识国产铜材在尺寸精度、表面质量、显微组织、力学性能、物理性能、工艺性能和质量一致性等品质因素与进口同类材料的差距，深刻认识由于铜材品质差距对接触件性能影响。坚持“问题导向、产需结合、协同创新、重点突破”原则，瞄准高端应用领域连接器生产紧缺的接触件铜材，将产业链上下游单位联合起来创建“接触件铜材应用基础研究联盟”，加强接触件铜材应用基础研究，才能改变目前铜材生产与实际应用脱节，造成铜材研究和标准制定流于表面化，铜材品质很难适应不同应用领域的连接器接触件差异化工艺技术要求的现状。

2 接触件铜材应用现状

国军标GJB1216[电连接器接触件总规范规定：最高工作温度125℃接触件一般使用铜合金，没有规定材料类别。有些连接器总规范虽规定插孔接触件选用铍铜或磷青铜，但又规定与详细规范不一致时，以详细规范为准[1]。

连接器现行标准仅规定了接触件的工作直径、镀金层厚度、分离力和保持力等主要技术参数，并未规定铜合金材料牌号、规格和状态。我国连接器行业没有经历正向设计阶段，都是仿制产品，接触件铜材牌号、规格、状态等源于国外标准。

为防止刚性插针插拔时弯曲损伤,插针常选用具有较高机械强度的黄铜(H62、HPb59-1等)制作。为保证弹性插孔插合时接触可靠,防止塑性变形和应力松弛,插孔常选用具有较高弹性极限与疲劳极限和适当弹性模量的锡青铜(QSn4-3、QSn6.5-0.1等)、铍青铜(C17200、QBe2等)或镍硅青铜(C70250等)制作(表1)。 接触件铜材还要求其加工成型性良好、内部弹性均匀、耐蚀性好、导电、导热率高和可焊性好等。

表1 接触件常用铜材一览表

连接器小型化，使制作接触件所选铜带越来越薄、丝材越来越细。目前国产铜材实际生产严重滞后于标准规定，往往是“有标准、无产品”。铜加工企业尚难提供现行行业标准中规定的各牌号的所有规格、状态和性能。表2列出了国产接触件铜材在规格尺寸、表面质量、力学性能、物理性能、工艺性能、显微组织和质量一致性等品质要素和进口同类铜材的主要差距。

表2 国产和进口接触件铜材的主要差距

3 接触件铜材应用研究成果简介

铜合金中添加锌、铝、锡、锰、镍等元素固溶强化提高强度之同时，一般都会

降低导电率。在导电率-抗拉强度关系图中不同合金系铜合金处于不同位置(图1)。

近年来我国洛铜、春雷、博威、斯瑞、兴业盛泰、兴敖达和金江等铜加工骨干企业为实现替代进口目标，瞄准航空、航天、通讯等高端应用领域紧缺的高强度、高电导、高精度的接触件铜材，开展铍铜、钛铜、镍硅铜、镍钴硅铜、铬锆铜、铁铜和碲铜等系列合金熔铸、轧制、热处理、精整等工艺攻关,取得了许多研发和产业化生产成果(表3)。部分铜合金带、丝材已能替代进口，成功应用于高端应用领域连接器。

图1 铜合金抗拉强度-导电率关系

表3 近年来研制的几种接触件铜材性能和应用

3.1高精度铍铜丝替代进口

铍铜是力学、物理、化学综合性能良好的一种合金。经淬火时效处理后，具有髙的强度、弹性、耐磨性、耐疲劳性和耐蚀性。同时铍铜还具有较高的导电性、导热性、耐寒性和无磁性，碰击时无火花，易于焊接和钎焊，在大气、淡水和海水中耐腐蝕性极好。鉴于鈹铜具有比一般青铜和黄铜更高的强度水平和良好的综合性能，能满足电连接器弹性接触件设计选材的一系列要求，故它是制作线簧插孔、绞线插针等高可靠连接器弹性接触件的首选材料。例如间距0.635mm超微矩形连接器绞线式插针，釆用三股0.06mm铍铜线外包着七股0.038mm铍铜线，绕成的缆束直径仅0.2mm。经280℃、2h时效处理后显微硬度明显提高，与未经时效处理相比，硬度提高70%。目前选用的1/4Y(1/4冷作硬化)状态0.038mm铍铜丝，都选用进口C17200铍铜丝材。

随着5G通讯、无人机、机器人和人工智能等器件的应用发展，微型连接器需求量猛增，由此制作线簧插孔、绞线插针的高精度铍铜丝需求量也迅速增加。感到欣慰的是苏州金江铜业为满足市场需求，研制生产的KINKOU高精度铍铜丝直径≤0.03mm，填补了这一细分领域国内空白。目前已可同品质替代进口，应用于线簧插孔、绞线插针、毛钮扣、弹簧针等高可靠弹性接触件。

3.2钛铜替代铍铜用于微型接触件

虽制作高可靠弹性接触件的铍铜本身无毒对环境没有污染，但铍铜在生产冶炼过程中对环境存在污染。在对环境要求越来越严格的今天，研发铍铜替代材料，一直是业界关注的课题。陕西斯瑞研制的CuTi3.5钛铜，其高强、高弹、导电等机械物理性能可与铍铜相媲美。析出强化型钛铜屈服强度≥1000Mpa，等同17200铍铜强度，导电率13%，具有优良的抗高温应力松驰、高抗疲劳强度、高耐磨耐蚀性，可替代铍铜为微型接触件提供足够的接触力，用于制作手机按键等微型接触件。

3.3改进镍硅铜可镀性能

镍硅铜合金具有良好的强度、导电、耐热、耐高温应力松弛等性能，广泛应用于汽车、消费电子部件。汽车行业因耐腐蚀要求，接触件铜材都需电镀保护，典型镀层结构为含钖镀层。因C70250、C19100镍硅铜中不含Sn，为解决镀材工业废料、角料回收，博威合金研发具有自主知识产权的仿美C19026合金(Sn0.7-1.1%、Ni0.8-1.2%、P0.03-0.07%、Si0.07-0.25%、Zn≤0.5%、Cu余量)。屈服强度≥600Mpa、导电率47%、150℃1000h应力松弛保持率75%、软化温度460-470℃。合金保留了镍硅铜耐高温应力松弛、抗软化性能同时，兼有良好的强度和导电性能，改进了镍硅铜可镀性能。满足市场需要，具有广泛的原材料来源和环保价值。

3.4镍钴硅铜替代铍铜用于高端应用领域接触件

镍钴硅铜合金是在原镍硅铜合金基础上添加少量钴元素细化晶粒，均匀分布Ni-Si、Co-Si颗粒细化。具有比C70250更优的综合性能，更高的屈服强度和导电性，出色的抗应力松弛性，可满足高端应用领域弹性元件要求。兴业盛泰研制的XYK-32镍钴硅铜合金棒、线屈服强度高达850Mpa，可替代铍铜用于电子通讯设备、汽车连接器接触件和弹簧等。

3.5高精度铬鋯铜合金带材产业化生产工艺攻关

铬鋯铜是高电导、中强度材料，通过铜中添加铬、锆熔铸合金化后热处理和冷加工相结合方法获得最佳力学和物理性能。其特点是高导电导热、高硬度、耐磨和减磨性好，具有良好的抗电蚀性和高温抗氧化性。

博威、斯瑞、兴业盛泰和春雷等研发的铬鋯铜带广泛应用于5G通讯基站、大电流、新能源汽车连接器弹性插孔和引线框架。特别是兴业盛泰为满足新一代集成电路引线框架急需的高导耐热和抗折弯性优良的铬锆铜带材，开展了高电导、中强度铬鋯铜合金带材关键技术开发和产业化生产课题研究。在非真空大规格铸锭均质化、成分均匀稳定化、多重形变热处理和高精度加工技术等方面都有所突破。

3.6 铁铜合金新材料应用基础研究

博威、洛铜和春雷等研制生产的C19400 Cu-Fe-P系中强、中导时效强化铜材，屈服强度410-530Mpa、导电率≥60%、Hv120-150、抗高温软化470℃3min硬度不小于原始80%。具有优良加工成形性、电镀性和可焊性，既可冲压，又可蚀刻加工，通过低应力板形管控，已经IC、手机客户认证，部分替代进口。主要用于汽车连接器接触件、引线框架、手机中板、LED等部件。

3.7 碲铜新材料应用基础研究

新能源汽车快速充电电流200-600A，要求充电桩连接器插针接触件材料中等强度、灭电弧型、高导热性、良好的热应力松弛性。博威、洛铜和兴敖达等研制生产的C14500(Te0.4-0.7、P0.004-0.012)易切削碲铜，具有优良的导电、导热、抗腐蚀性和抗电蚀性，同时具有极好的易切削性和冷热加工性。已成功应用于充电桩连接器插针接触件和新能源汽车、太阳能发电站连接器接触件。

4 铜材品质对接触件性能影响

接触件合理选材和设计结构是保证连接器电接触可靠性的重要前提。 在不同环境下使用的连接器接触件插合后接触电阻由收缩电阻、膜层电阻和导体电阻三部分组成，铜材品质对组成接触电阻的这三部分电阻都有影响(图2)。收缩电阻除正压力还取决于设计结构(尺寸精度)外，正压力、表面物理特征(细晶结构)和表面粗糙度都与铜材品质有关;膜层电阻取决于铜材的耐蝕性和防护镀层质量;导体电阻取决于材料类别，如标准规定1mm的镀金接触件接触电阻;铜合金5mΩ、铁合金15mΩ。

4.1 厚度(直径)偏差

下面用带材冲制方形插孔和丝材车制圆形插孔的片簧(图3)为例，说明厚度偏差对连接器针孔插合接触正压力的影响。片簧可看作一端固定的县臂梁(图4)，从另一自由端施加压力F，片簧产生位移f，这种模型可用下式计算：

公式1：f=4F·l³/E·b·t³

公式2：F=f·E·b·t³/4·l³

式中：f片簧弯曲位移、F接触正压力、l片簧长度、t片簧厚度、b片簧宽度、E弹性模量。

由公式可知：在同样压力下，片簧位移与弹性模量和片簧厚度的三次方成反比关系。弹性模量增大，位移减小。反之，在同样位移下，片簧能承受的接触正压力与弹性模量和片簧厚度的三次方成正比关系。上述公式直接反映，初始带材冲压或丝材打孔后的插孔片簧厚度偏差对接触正压力作用成三次方影响。带材厚度更薄或丝材直径更小时，低的厚度(直径)偏差对保证连接器片簧插孔接触件使用稳定性意义更大。

图3 圆形插孔(侧开槽)片簧    

  图4 片簧可看作一端固定的县臂梁

接触件铜材熔铸结晶是影响厚度偏差的首道工序，结晶均匀性决定铜材品质水平。铣面去除柱状晶层及氧化层，可使铸坯厚度偏差及表面缺陷消除大半。铣面是影响铜材厚度偏差的重要中间工序，正常铣面后可使铜材纵向厚度偏差〈0.1mm、横向厚度偏差〈0.02mm。轧机精度、轧制力、轧辊刚性和运行稳定性是决定铜材厚度偏差的最终因素。表4列出了用我国某厂生产0.15mm铜带厚度偏差0.016mm，制作的方形片簧插孔接触正压力偏差达27.47%;而用日本NGK0.15mm铜带厚度偏差0.002mm，制作的方形片簧插孔接触正压力偏差仅3.83%^[2]。

表4 国产和进口铜带厚度偏差引起片簧插孔接触正压力差异

接触正压力直接影响连接器插拔力和接触电阻，稳定的接触正压力是连接器稳定可靠使用的基础。厚度偏差越大，导致材料存在内应力不均匀，是插孔应力松弛、降低接触正压力的主要原因。不易在后续加工中消除和降低，只会更容易引起新的应力集中，降低连接器性能和寿命，是影响连接器可靠性的重要因素。

尤其是更薄、更微细的5G通讯连接器，改善铜带厚度偏差意义重大。5G通讯高频高速讯号传输及相应的高功率终端设备用连接器，在高频、高导、微小化和高可靠等要求下，对接触件铜材提出更高要求。现代精密铜带生产制造过程中除熔铸外，厚度偏差管控更为重要。厚度偏差程度是铜带一系列性能基础，不仅直接影响抗拉强度和延伸率等力学性能，是保持晶粒组织均匀、表面质量优化的根源，也是连接器保持插拔力、保持力、耐疲劳强度，能长期稳定可靠工作(使用寿命)的基础。

随着无人机、机器人、人工智能等电子设备发展，高密度、小型化、高可靠的超小型连接器应用越来越广泛，由此对铍铜等高弹性线材精度也提出高要求。绞线式插针对内外圈铍铜丝的尺寸、力学性能一致性要求十分苛严。铍铜丝尺寸微小变化能引起插针性能较大变化。外面用七股直径0.13mm鈹铜丝绕制的0.5mm绞线式插针，鈹铜丝直径偏差0.01mm，将影响插针刚度26%。苏州金江铜业研制生产的高精度铍铜丝C17200(Be1.8-2.0%、Ni+Co≥0.2%、Ni+Co+Fe≤0.6%、Ni+Co+Fe+Be+Cu≥99.5%)，丝材直径0.03-0.09mm，直径偏差-0.003mm，抗拉强度784-1078Mpa，能等效替代进口，用于微型连接器线簧插孔和绞线插针等弹性接触件。

4.2 表面粗糙度

接触件铜材表面越粗糙，有效接触面积越小。针孔插拔时，表面越粗糙，磨损越严重。接触件多次插拔后配合间隙增大，降低接触正压力，增大针孔接触界面接触电阻，导致连接器温升增加。交流电或交变磁场导体表面有趋肤效应，表面粗糙会影响接触件表面电流及信号传输，降低连接器电接触可靠性。

铜材表面粗糙将降低接触件的抗腐蚀性能，使其无法严密地与塑料层贴合，腐蚀气体或液体会通过接触件界面缝隙或表面微观凹谷渗漏，影响接触件的密封性和抗腐蚀性能。铜材表面粗糙，在微细接触件表面会存在较大波峰波谷落差，像尖角缺口和裂纹一样容易引起应力集中，降低接触件疲劳强度与使用寿命。铜材表面粗糙，使覆盖镀层加厚，增加电镀成本，尤其是USB线端需镀铑钌等稀贵金属。

4.3 显微组织

铜材显微组织对接触件力学性能、工艺性能和耐腐蚀性影响明显。晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多，需协调的各向异性越明显，使金属塑性变形抗力越高，即强度和硬度越高。反之晶粒粗大，晶粒各向异性明显，由特定晶粒中引力集中引起的破坏性越大。晶粒细化，单位体积晶粒数越多，外力作用下参与变形分散到更多晶粒内进行，应力越分散，变形越均匀，应力集中现象越不明显，使材料断裂前发生较大塑性变形，晶界越多、晶界线越曲折长度越长，材料强度和塑性增加同时，金属断裂前消耗的功也较大，韧性也较好。接触件铜材晶粒细化，在保持高强度和韧性同时，具有良好的冲压、折弯、缠绕等工艺性能。

4.4力学性能

接触件铜材选用时要满足80%屈服强度大于接触件零件许用应力要求，屈服强度比抗拉强度更重要。高强度铜合金板带一般要求屈服强度900MPa以上，导电率20%IACS左右。主要用于信号连接部分，如VCM弹片、耳机弹片、SIM卡连接器等。某厂家的智能手机厚度五年内变薄20%以上，由此使得装配在手机内部多数板对板连接器也扁平化、细间距化，手机其它所有连接器同样都要求小型化。原选用黄铜、锡磷青铜的机械强度和折弯工艺成形性能难以满足越来越苛严要求，改用镍硅铜或钛铜等髙性能铜合金才能满足髙强度、良好的折弯加工性和髙导电等特性要求。相同形状的接触件选用镍硅铜或钛铜制造和原用锡磷青铜相比，镍硅铜可提髙12%接触压力，而钛铜则可提高22%接触压力。

接触件铜材的抗应力松弛性能，是决定其能否可靠应用的重要技术特性。金属应力松弛是指在恒定高温承载状态下，总应变(弹性应变加塑性应变)保持不变，而应力随时间延长逐渐降低的现象称为松驰。松弛和蠕变是一个问题两个方面;材料在恒定高温下工作，当保持应力恒定就产生蠕变，当保持应变恒定就产生松驰。连接器常因插孔接触件材料应力松驰，造成接触不良或瞬间断电等失效故障。国内外大型铜合金生产企业对此都开展深入系列研究，并为用户提供各种恒定高温承载状态下，不同牌号材料的应力松驰曲线。

图5 应力松弛试验方法

图6 几种铜合金抗应力松弛性能

常用高温150℃、保持1000h后残留应力保持率来判定铜材应力松弛性能(图5)。钛铜(1990)和铍铜(1720)应力松弛性能良好，分别能保持原来接触压力95%和80%以上，而磷青铜(5210)降至原来接触压力60%(图6)。析出强化型钛铜屈服强度达1000Mpa以上，相当1720铍铜强度水平。并有优良的折弯性能、抗应力松驰、高抗疲劳强度和高耐磨耐蚀性，替代铍铜为手机等微细接触件提供足够稳定的接触压力。

4.5物理性能

铜材的导电率、导热率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能，也是决定能否应用于接触件的重要依据。例如近年来随着新能源汽车普及应用，因电源连接器接触不良温升导致燃烧案例频发，人们对温度寿命测试十分关注[3]。要分析研究用于电源连接器接触件的国产和进口C18150等同类高电导铜材品质差距根源，除采用国产和进口同类铜材制作相同规格型号接触件，进行材料理化、工艺性能和接触件零件功能等对比试验外，还应按有关标准评判其耐环境性。EIA364-1000.01是电子工业协会评估商业办公环境使用的连接器环境测试方法。试验分温度寿命、热冲击(温湿循环)、机械振动、混合流动气体+热干扰、热循环、粉尘+热干扰和插拔耐久等七组。

高温加速寿命测试主要是让连接器接触件铜材应力松弛加速、镀层氧化加速和绝缘体老化加速，验证其一定使用年限后连接器接触性能是否可靠。

4.6 工艺性能

接触件铜材要满足不同规格、状态 、部位和取样方向成型要求，冲压、压接、折弯、缠绕等工艺性能比延伸率更重要。

低厚度偏差、细晶结构、低内应力、精细表面是冲压、压接、折弯、缠绕等良好工艺性能的基础保证。例如智能手机在有限空间内要求功能越来越复杂，涵盖VCM蚀刻的扭矩平衡弹片和背板连接器等元器件更精微细密，对相应铜材满足功能要求同时越来越薄。手机用SIM/接地弹片C5240HQ/GMX96/BF158/C1990HP/C17200铜合金箔带最小厚度仅0.0015-0.012mm、厚度偏差+/-5%，目前全球仅少数几家供货商能提供稳定的精密超薄材料(图7)。5G手机中的背板连接器高度仅0.7mm、板厚0.06mm，扁平狭窄的空间、复杂弯曲形状。在保持铜材高强度、高弹性同时，必须具有优良的工艺成形性能(图8)。

精密轧制设备与轧制技术是生产厚度更薄、性能更均匀的必备条件，使材料压延工艺成型阶段保证应力均匀分布板型优良，完成时效及退火后去内应力残留，保证材料工艺成型后保持精确外形轮廓，使后续电镀和装配良率到达预期。

图7智能手机连接器接触件铜箔规格

图8 5G手机背板连接器接触件铜带高加工性

4.7 质量一致性

接触件铜材同批次、不同批次、不同温度环境和长时间使用后的质量一致性，是保证连接器稳定可靠使用非常重要的基础研究内容。我囯高端应用领域接触件铜材和进口同类材料质量一致性差距明显。由于国产接触件铜材质量不稳定影响可靠使用，往往成为许多用户改选进口材料的原由。目前我国还很少有单位和个人能静下心来，专致于接触件铜材质量一致性的实际数据积累和分析研究，

铜材品质和工艺技术集成度是决定产品质量一致性的关键因素。发达国家凭借先进的熔铸、轧制、热处理和精整技术，配上先进的柔性加工和在线质量控制技术，有效控制全生产过程质量，在实现大规模、高效率、低成本量产同时，保证了铜材质量一致性。而我国除少数铜加工企业引进先进设备能部分实现大规模、智能化量产外，大部分铜加工企业生产设备还相对落后，难以生产规格越来越微细的接触件铜材，难以满足微细接触件对铜材尺寸精度，晶粒细化均匀、表面粗糙度和工艺成形性等品质要素越来越高要求。即使通过工艺攻关能开始小规模试生产，也难以实现保证“四个质量一致性”的大规模量产。这是我囯接触件铜材产业今后必须攻克的短板和痛点。

5建议

学习借鉴发达国家技术集成创新的成功经验，将互联网理念扩展到接触件铜材生产和服务领域，促进接触件铜材产业链的企事业单位分工和专业化。建议接触件铜材科研、高校、生产、应用、标准和质检等单位组建“接触件铜材应用基础研究联盟”，并相应创建能应用接触件铜材应用基础研究成果，实现通用接触件工业3.0自动化大规模量产的的孵化基地兼物流配送中心。可通过国家有关部委组织可行性立题论证，调研接触件铜材生产应用现状，摸清与进口材料差距，招标确定承担项目单位。并由国家投资对承担项目单位现有生产设备和检测手段改造，逐步实现国产接触件铜材等效替代进口的目标。为有利于接触件生产过程废料回收利用，建议该基地选址最好在铜加工生产企业附近。

参考资料

[1] 国军标GJB1216 电连接器接触件总规范规定 国防科工委军标出版发行部

[2] 高导电高性能铜合金 昆山联扬电子材料有限公司样本 2020年

[3] 蔡友华 连接器温度寿命测试 国际线缆与连接 2020年1&2月合刊

附作者杨奋为高工在2020年9月17日出席工博会汽车新材料论坛图：

2020年9月17日出席工博会汽车新材料论坛互动研讨发言

2020年9月17日出席工博会汽车新材料论坛授证仪式(左三)

骋为汽车新材料专家委员会专家聘书