摘 要：文章详细介绍了一种手机电连接器的功能和使用要求，对当前电接触件设计方法进行了批判性分析，找出其存在的缺点，还包括了有限元分析（FEA）和制造设计原则在设计过程中的作用。文章认为，接触件材料的选择是设计成功的关键因素。文章还讨论了接触件各种材料，特别是铜合金的适用性，概述了一个有助于设计师选择接触件材料的数据库的开发。设计师可以使用该软件轻松快捷地获取连接器接触件设计变量、接触件材料性能数据以及公司带材规格等信息。

关键词：连接器；设计；材料；有限元分析

1 引言

“连接器”或“互连器件”一词所涉及的应用领域极为广泛，我们可以将它描述为“在一个电气系统的两个子系统之间提供可分离接口而不会对系统性能产生不可接受影响的机电元件^[1]。”由此可见，连接器是一种机电元件，它通过机械手段实现电接触，通常是通过机械簧片的挠曲在连接器两半之间产生一种力。图1是用于移动设备的典型电池连接器示意图，它由三部分元件组成。

• 接触接口/表面镀饰；

• 接触簧片构件；

• 连接器壳体。

图1 手机电池连接器示意图

电池和连接器之间的接口是可以分离的，因为电池可以从手机上取下。不过，连接器接触件和PCB之间的连接是永久的，因为连接器是焊接在手机机壳内的PCB上。可分离接口的质量取决于连接器接触件的几何形状、连接器接触件与电池充电板之间的接触力以及接触件与充电板之间的接触件镀覆层。接触簧片构件必须将电流从电池输送到PCB元件。它还必须像一个弹簧一样，在发生挠曲时利用其弹性应变可在自身和电池充电板之间产生一种“法向力”，以形成一种更加牢固的连接。

连接器的功能要求在很大程度上取决于接触件是用于信号传输还是用于配电，而上述电池连接器则属于后者。信号接触件的载流一般小于1A，而电源接触件的载流一般大于1A。在上述电池连接器中，接触件材料的规定温升一般为30°C，这就决定了其额定电流容量。

2 接触件技术要求

实践证明，在许多连接器应用中，设计人员对连接器接触件和壳体材料的选择是协调各种性能、制造、质量和成本参数的关键。由于本研究涉及电接触件材料的选择，下面的讨论将侧重于连接器接触件技术要求，而不是组装接触件壳体的技术要求。可用于接触件制造的接触材料如表1所示。

表1 连接器接触件主要合金材料及其相关的硬化机理

连接器接触件一个最基本的机械要求就是提供足够的法向力，即垂直于两个接触表面的接触力。根据不同的接触件材料应用，其所需的法向力有很大的差异。

接触电阻是连接器一个关键的性能特征，其与接触力的关系曲线见图2所示。接触件材料需要承载电流，其电流的大小取决于接触件是用于信号传输还是电源传输。总接触电阻通常分为收缩电阻、膜层电阻和接触件材料的体积电阻^[1]，见公式（1）所示。

图2 接触电阻与法向接触力变化曲线

（1）

电连接器设计中一个最关键的问题就是找到一种合适的材料，它可以为簧片接触件提供一个特定的受力-挠度特性，从而确保其所连接的两个系统之间实现可靠的电气和机械连接。设计人员使用的基本的计算机辅助工程（CAE）工具是Molex公司开发的一个名为Autobeam的软件包，这是一种使用AC工程公司ABAQUS求解器开发的二维非线性有限元（FE）软件包。Autobeam软件包可以对接触梁外形轮廓进行初步分析，采用Altair公司开发的HyperMesh软件包还可以进行更详细的三维分析。在设计电源接触件时，我们必须通过限制体积电阻来控制焦耳热（I2R损耗）引起的温升，从而最大限度地减少连接器上的功率损耗。这是通过接触长度最小化和给定材料横截面积最大化途径来实现的，见公式（2）所示。

（2）

式中，ρ为电阻率，l为接触件长度，A为横截面积。信号特性对于低电流信号来说非常重要。这些指标包括信-地比（用于确定噪声）、阻抗（电压与电流比）和延迟（由连接器电容引起并随接触长度的加大而增大）^[2]。

该系统的长期可靠性至关重要，虽说连接器寿命早期进行的法向力、插合力或接触电阻测量似乎完全可以接受，但在电接触件设计时也必须考虑到这些参数值随着时间的推移而出现衰减的可能性。

铜合金在连接器接触件制造中的有利条件在于其独特的导电性、强度、刚度、成形性以及成本因素。连接器接触表面通常要镀上一层涂覆层，这有助于减少潜在的腐蚀问题，并提高其使用寿命。接触表面处理的两大类镀覆金属主要是贵金属（金、钯及其合金）和贱金属（锡）。为了避免氧化颗粒在镀锡接触件表面积聚，需要在接触表面之间进行一定程度的相对运动。这种运动被称为“擦拭”。从某种程度来说，这种擦拭对于保持镀锡接触件接触界面的完整性至关重要^[3,4]。

无论连接器接触件表面镀覆属于哪一种类型，两个连接器接触件的实际接触面积只是视在接触面积的一小部分^[5]。当我们考虑将磨损作为一种性能特征时，理解接触表面在施加载荷条件下的行为就显得非常重要。“冷焊”、“粘着磨损”等现象会导致接触表面严重劣化^[6-8]。

磨损并不是连接器接触件需要应对的唯一的长期问题。接触簧片的应力松弛也是接触界面劣化的潜在原因，尤其是在较高的工作温度环境下。有些材料比其他材料更容易发生应力松弛现象，所以接触件材料在制造过程中的加工方式对其抗应力松弛性有很大的影响^[9,10]。

连接器接触件由金属带材冲压成形，并缠绕在卷轴上，以备在装配生产线装载到连接器装配机上。带材的特性必须满足制造过程的工艺要求，即冲压和成形的能力。90◦弯曲所必须的半径/厚度比可以作为其可加工性的一个衡量标准。带材的可焊性也是一个重要参数，可焊性通常是根据观察到的润湿情况用RMA助焊剂等级来进行判定。

3 基于知识的专家系统（KBS）

多年来，人们一直用计算机系统来存储和处理有关材料特性方面的数据，这就使得接触件材料设计人员能够实现大容量快速检索数据库，从而很方便地获取材料信息。不过，一个提供查阅材料的计算机系统不一定是一个接触件材料选择系统，尽管获取数据是便于选择的一个必要条件。

工程材料信息可以分为两大类，即数据类和知识类信息^[11]。数据可以定义为测量的结果，而知识则表示数据项之间的联系，这是知识的来源，有助于我们对测量结果的理解。

一个基于知识的系统（KBS）就是能够以交互方式帮助用户解决各种问题或疑问的专家知识系统。从这个意义上说，这一系统试图代表人类的知识或专业技能，以便以一种有用的方式提供快捷和实用的知识。因此，KBS本质上将我们对现有专家知识的实时使用实现了过程自动化，解释了其推理的过程，并且易于进一步扩展^[12]。近年来，许多研究人员使用各种方法和软件开发了基于知识的系统（KBS），并已开发出用于制造和设计中的接触件材料选择^[13-16]、表面涂镀应用^[17]以及磨损、腐蚀和机械加载^[18]的应用系统。

4 设计连接器数据库

在开发该系统以帮助工程师进行电源接触件设计时，所采用的接触件材料设计理念可以进一步概述如下：

• 强调整体设计在功能、接触件材料和制造工艺方面的重要性。

• 创建一个系统，并将此作为新设计的起点，减少对以往设计的依赖。取而代之的是一种工具，它可以让我们客观地确定一个组件的确切功能，并为我们提供一套基于最能支持这些功能的属性搜索合适材料的工具。

考虑到这一点，该系统应该做到以下几个方面。

• 提醒用户接触梁几何形状的重要性。

• 督促设计师在生产过程中充分利用接触件材料的变化。提供接触件材料的搜索功能，使用条件包括基本材料特性、可靠性、制造和成本因素。

• 减少连接器接触件重新设计和“过度设计”的次数。

• 作为一个知识库，避免在浩如烟海的供应商目录中搜索接触件材料信息，从而节省时间。

• 减少对工程师个人知识或经验的依赖。

该数据库是用Microsoft Access系统开发的。这一软件是一种关系数据库管理系统（RDMBS），它可以提供一个名为“Microsoft Jet”的数据库引擎和一个图形用户界面（GUI），还可以使用现有标准结构化查询语言（SQL）功能进行数据定义和操作。用户可以通过使用所谓的向导为数据库中的输入/输出操作编制相应的表单和报告。这种向导就是一种交互式程序，它以对话模式引导用户找出一系列问题的解决方案。在通过报表开发查询功能时，Expression Builder软件可以帮助用户构建语法正确的表达式。当用户接触件材料设计表单或报表上的不同字段并将其链接到数据库中的相关条目时，表单和报表的定义以交互方式完成。

该数据库的基本结构是在一个主菜单之下链接三个功能项：

1）添加/编辑材料（管理）：这一部分要受密码保护，允许系统管理员在数据库中输入接触件材料信息，也可以对系统中已有的接触件材料进行编辑。表单中包含各种合金及其回火工艺的基本材料特性。这些表单是相互关联的，因此当选择一个特定属性作为数据库条目时，它的所有属性都会自动输入系统。该数据库中包含有140种不同合金和回火材料。

2）设计顾问：这一功能将帮助设计师在两个设计问题上提供建议，即接触件法向力和永久变形问题。这两个问题给电接触件从业人员带来了极大困难。它会询问设计师有关设计问题的本质，并根据他们的选择为其指明一条可行的解决方案。

3）搜索工具：搜索工具分为两个部分。首先是对主要金属数据库的搜索。该数据库包含所有可用于连接器接触件设计的合金材料。第二个是Molex Ireland带材规格的搜索。两者均可用特性值的组合进行搜索，而带材数据库的记录则有与带材格式相关的附加条件。用户还应能根据所用的搜索条件对搜索结果进行排序。

图3 SIM接触件几何形状显示其在壳体中的固定边界条件

5 材料选择实例

SIM卡连接器的几何形状如图3所示。它可以由铜铍合金C17200制成，但这种材料成本很高。我们可以用开发的数据库确定一种替代材料。根据现有性能，我们将材料的要求进一步详述如下：

• 弹性性能要求最小屈服应变≥0.0073。

• 最低屈服强度≥780mpa。

• 可成形性要求最大半径/厚度（横向）≤5.0。

• 电导率≥15% IACS。

• 需求成本估价≤480。

当我们将所列出的需求添加到搜索所有材料窗口的搜索条件图框时，所检索的视窗如图4所示。

图4 在“搜索所有材料”窗口添加搜索条件

我们可以看到，有四种回火材料符合相关标准，单击查看结果按钮，可以检索出备选方案。图5是检索结果视窗的局部截图。

图5 用图4中给出的标准在搜索中发现的四种回火工艺材料

可以看出，除了C17200合金，所有的成本指导价均为480，只有一种真正的替代材料，那就是一种改性黄铜C68800 Y780回火材料。利用图3中连接器接触件设计试样的几何形状和边界条件，我们用有限元分析（FEA）给出了受力-挠度变化曲线，如图6所示。

图6 图3中采用C68800 Y780材料的接触件受力/位移特征曲线

从图中可以看出，当加载和卸载曲线彼此接近时，接触件材料刚刚开始进入塑性变化区域。这是可以接受的。最低挠度时的接触力约为0.32N，这应该足够了。改性黄铜的成本估价表明，使用C68800代替C17200可以节省60%的成本。考虑到如果用这种材料代替铍铜，将会大大地节省成本。因此，我们选用这种材料来制造连接器试样，并对其进行测试。

6 结论

我们将Microsoft Access用作Shell程序，开发了一套基于知识的电连接器材料数据库。该系统具有设计顾问和检索功能，使非专业设计人员也能非常方便地使用数据库。该数据库大大改善了连接器接触件设计过程中对材料信息的访问。在实际应用中，该数据库表现出种种优势，尤其是在节省设计时间和开发新材料的选择方面。如果我们再鼓励材料供应商为数据库提供标准化的特性数据的话，那么，我们就不需要保存材料规格方面的纸质副本，从而大幅度降低费用成本。

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