手機電池連接器的設計應用與發(fā)展趨勢

高 輝

(昆山嘉華電子有限公司，江蘇昆山215316)

1 引言

手機連接器是手機中重要的結構元件，它們的好壞直接關系到手機使用的可靠性，手機絕大部分的售后質量問題也與連接器相關。手機所使用的連接器種類根據(jù)其產(chǎn)品的不同而略有差異，平均使用數(shù)量約在5～9個之間，產(chǎn)品種類可以分為內部的FPC連接器及板對板連接器、外部連接的I/O連接器，以及電池、SIM卡連接器和CameraSocket、Audio Jack等。

受智能手機需求市場的影響，手機連接器當前的發(fā)展方向為:低高度、小間距、多功能、良好的電磁兼容性、標準化和定制化并存。

電池連接器是手機中最為重要的一個連接器，其可靠性對手機而言至關重要，從目前手機技術的發(fā)展來看，電池連接器不會在手機中消失。

電池連接器從端子接觸形式來看主要分為彈片式和閘刀式兩大類，F(xiàn)TB連接器則是脫胎于手機中早已廣泛使用的板對板連接器。

早期的功能手機均使用彈片式電池連接器，隨著智能手機的發(fā)展，除了多核、大屏、高分辨率、高像素、超薄設計成為手機行業(yè)的主流趨勢外，還有一項技術正在手機上盡情的展現(xiàn)著自己的魅力，這就是手機內置電池的設計。其實一直以來，大家對于手機電池最關注的無非就是電池容量，能為手機帶來怎樣的續(xù)航能力。但蘋果iPhone引領了內置電池的設計風潮，內置電池方案不需要將電池呈現(xiàn)在外部以方便用戶插拔，也不需要留出電池與后蓋之間的空間，大大節(jié)省了機身體積，可以設計出更加合理的主板布局。同時采用內置電池的設計，可以杜絕山寨版電池以及非標充電器的使用，在兼容性和安全性方面有了更好的保證。

本文針對常用的手機電池連接器，從其結構特點、應用以及使用過程中可能存在的問題點作了綜合探討與分析。

2 彈片式電池連接器

彈片式電池連接器一般有板上型、沉板型二種結構型式，Pin數(shù)依不同要求有3/4/5/6pin，廣泛應用于功能型手機中，在實際使用時電池的金手指直接與連接器彈性端子接觸。

彈片式電池連接器的端子材料多選用鈹銅，近來由于受RoHS要求的限制，也開始用高性能的鈦銅來取代鈹銅。

彈片式電池連接器的正向力設計原則是:在客戶實際使用時的最大和最小壓縮量的情況下，正向力應滿足100～200g的要求，既可以保持良好的接觸性能，抵抗微跌落時掉電，也可以防止端子屈服和電鍍層的磨損。

針對壓縮量部分，我們建議0.8～2.0mm為宜，若壓縮量過小，為保證足夠的正向力，端子的彈性系數(shù)會較大，對零件尺寸、組裝尺寸以及電池倉的相關尺寸精度要求高，包容性會變差;若壓縮量過大，端子伸出高度會增大，電池與連接器互配時，易造成端子變形，影響接觸性能及使用功能。

下圖是常用的幾種不同的彈片式電池連接器觸點形狀，以單觸點形式使用相對居多。

圖1 幾種不同的彈片式電池連接器觸點形狀

經(jīng)過多年的發(fā)展與應用，彈片式電池連接器已相對比較成熟，但各大手機廠商仍會偶發(fā)有手機在跌落測試或客戶使用過程中出現(xiàn)微跌落掉電的不良現(xiàn)象。

可能的原因如下:

1)端子與電池接觸表面的粘性臟污

在手機貼片組裝以及產(chǎn)品使用過程中，電池連接器與電池接觸表面有可能出現(xiàn)臟污，影響端子和電池的接觸性能?？紤]到生產(chǎn)組裝制程中的臟污在所難免，我們在做彈片式電池連接器產(chǎn)品設計時，除了要保證足夠的正向力以及合適的觸點形狀外，還要保證電池與彈片接觸時彈片在Z向產(chǎn)生一定的刮擦距離(Wiping Distance)，以便能夠起到排除臟污的效果。

2)微跌落過程中，彈片端子回彈遲滯，與電池產(chǎn)生瞬時接觸分離

如下圖所示，彈片端子兩側與塑膠間應該設計有一定間隙，若間隙過小或者端子組裝時正位度較大導致偏向一側、端子側邊有下料毛刺、塑膠框口有溢膠過大等，都有可能導致彈性端子下壓后回彈不順，產(chǎn)生掉電現(xiàn)象。

圖2 彈片式電池連接器刮擦方向

圖3 彈片式電池連接器

我們在做連接器單體的信賴性測試時，也應該模擬客戶的實際使用，配置相應重量的電池和手機本體配重，來完成抗振動及沖擊性能的測試。

圖4 彈片式電池連接器振動沖擊試驗治具

在沖擊載荷作用下電池連接器接觸結構的仿真分析目前還是空白?？梢灶A見的是，端子的結構形狀、材料、電池的重量、沖擊方向等因素都一定會影響到其最終的接觸性能，這有待于我們進一步的探索和研究。

還有一種Pogo Pin產(chǎn)品也可以用作電池連接器，其應用方法和上述彈片式電池連接器相似。Pogo Pin是一種具有精密彈簧結構的電子連接器，由接觸針軸、彈簧、套管三個基本部件通過精密設備預壓鉚接后形成彈簧式探針，在手機中也可以作為電池連接器用于電池與手機主板之間的連接。針軸與電池金手指接觸導通，電流大部分通過針軸的側面與套管壁接觸，彈簧也承擔少量導電功能，因此要求銅套內壁光滑。Pogo Pin可以保持持續(xù)的工作電流，由于采用彈簧作作為彈性元件，因此具有非常好的彈性，工作壽命很長。如下圖示的一種Pogo Pin電池連接器，其套管設置延伸出一個彈性臂與針軸始終保持接觸，實現(xiàn)了電流傳輸功能。

但Pogo Pin連接器在實際使用時有一點不足，其接觸針軸只能沿著彈簧軸方向水平運動。因此，為保證工作可靠，電池必須充分水平導引后再與針軸接觸。若依一般使用者如下圖慣常的電池成一定角度插入的手法，則極易造成接觸針軸變形失效。

圖5 Pogo型電池連接器

3 閘刀式電池連接器

智能手機廣泛使用的內置電池可以預防電池接觸不良而引起的不開機，重啟等故障，所使用的電池連接器形式也有所變化。其端子結構多采用閘刀式，其結構設計緊湊，端子配合時雙點接觸，具有良好的夾持及刮擦效果。閘刀式電池連接器一般成對使用，依使用方式又有WTB、BTB兩種結構形式。

3.1 WTB(Wire To Board)連接器

應用于手機電池連接器的WTB目前有多種不同的高度，端子結構也各不相同，可壓接AWG28～32的電源線。典型的WTB板端端子均為下料式結構，線端端子前端則為夾持式結構，用于對板端子的夾持接觸，以保證接觸可靠性，線端端子的尾部為壓接式(Crimping)結構，用于傳輸線的壓接。

線端端子的打線要經(jīng)過剝線、壓接端子、沾錫等制程，打好線后的端子再分別插入到塑件中，形成一個完整的線端產(chǎn)品。目前，端子插入塑件的動作難以實現(xiàn)自動化，手工插入效率較低，也致產(chǎn)品成本相對較高。打好線后的線端產(chǎn)品一般會單獨出貨至電池廠家，由電池制造商焊上電池，再供給手機廠組裝成整機。

圖6 打線后的WTB端子嵌合示意圖

圖7 是電池廠商熱鉚工位的示意圖，將打好線的WTB連接器產(chǎn)品放入圖示的治具并理好電源線，同時放置好線路板，利用熱壓焊頭進行熱鉚。為防止焊點氧化，還要對焊點進行點膠處理。

圖7 熱壓焊熱鉚治具

手機電池所用的WTB線端長度一般較短(我們遇到最短的線長只有7mm)，電池廠商通過熱壓焊制成焊線時極易造成連接器打線結構受高溫而松脫，接觸阻抗增大(規(guī)格為10毫歐最大)，電池發(fā)熱而導致關機失效。

因此，連接器廠商在打線時要嚴格控制好打線截面的相關尺寸以及截面形狀，以保證打線鉚接可靠，在自然放置以及受高熱狀態(tài)時都不至于松脫。

圖8 WTB打線斷面示意圖

3.2 BTB(Battery To Board)連接器

WTB在用作電池連接器時由于要有打線及熱鉚制程，其壓接結構在受高溫狀態(tài)下有失效的可能，因此閘刀式的電池連接器又有了如下一種新的BTB(Battery To Board)形式，其公母端均以焊接方式分別與手機主板、電池相連接，較之WTB的鉚線結構則更為安全可靠。

圖9 BTB(Battery To Board)電池連接器

下圖即為此款閘刀型電池連接器在手機中的典型應用，母座直接封裝在手機電池里，公端焊接在手機主板上。

圖10 Battery To Board型電池連接器的應用

4 FTB(FPC To Board)電池連接器

前述WTB電池連接器除了有打線結構松脫的風險外，其嵌合高度也較高，且由于閘刀式端子結構所限，再降低高度較為困難。另外，WTB所用的電源線也相對較硬，不易于定位安裝，振動沖擊測試時有時甚至會影響到公母座的配合。目前智能手機中的電池連接器更趨向于使用FTB(FPC To Board)連接器，F(xiàn)TB連接器結構與目前廣泛使用的板對板(Board To Board)連接器相似，母座焊接在手機主板上，而公座焊接在電池端引出的軟排線上。由于采用較薄的FPC軟排線作為電源線，其柔性更好，易于布線的實施，嵌合高度也可以變的更低。目前，我們已做到0.9mm高度，而業(yè)界最低的BTB連接器已經(jīng)做到了0.5mm的嵌合高度。布板空間也較為節(jié)省，成本也可以比WTB有所下降。同時也可以實現(xiàn)大電流的傳輸。

目前有二款主流的FTB電池連接器:

4.1 FTB 6 pin電池連接器

此款產(chǎn)品的6根端子均為相同的結構，每根pin可以通過3A的電流，手機實際應用布板時電源pin(+/－極)會采用2pin并聯(lián)的使用方式，理論上則可以實現(xiàn)6A充電電流的傳輸。其母座的彈性端子設計成雙簧片的結構，公母端子嵌合時可以實現(xiàn)3點接觸，有效地保證了接觸可靠性。

圖11 FTB 6Pin電池連接器及嵌合斷面示意圖

4.2 FTB 4 pin電池連接器

此款產(chǎn)品有兩種不同類型的端子，外側端子在連接器結構設計時已予以并聯(lián)，分別用作電源pin(+/－極)，可以實現(xiàn)4A的充電電流的傳輸。中間的2根信號pin可分別用電池內阻和電池溫度的測試。

圖13為FTB電池連接器在手機中的實際應用:

FTB電池連接器嚴格意義上來講就是板對板連接器。眾所周知，板對板連接器是手機連接器中技術難度最高的一個，目前業(yè)界能穩(wěn)定生產(chǎn)板對板產(chǎn)品的廠商為數(shù)不多。因嵌合高度低，端子結構受限，如何保證端子的可靠接觸、保證適當?shù)墓缸ヅ涞牟灏瘟Ξa(chǎn)品的結構設計和穩(wěn)定量產(chǎn)是一個挑戰(zhàn)，板對板產(chǎn)品的接觸面防爬錫以及接觸端子的異物去除都需要在產(chǎn)品結構設計時予以重點考量。我們在國內最先完成小間距板對板產(chǎn)品的開發(fā)和量產(chǎn)，上述兩款FTB產(chǎn)品也都已順利開發(fā)成功。

圖12 FTB 4 Pin電池連接器及嵌合斷面示意圖

圖13 FTB電池連接器在手機上的實際應用

與眾多手機廠家的選型不同，Apple iPhone使用的電池連接器相對較為特殊，以其端子接觸形式來看仍屬于閘刀式，但其端子結構與前述略有所不同;而從連接使用的角度來看，則可以歸入FTB形式。

圖14 Apple iPhone所使用的電池連接器

5 手機電池連接器的發(fā)展趨勢

隨著智能手機的高速發(fā)展，手機電池連接器后續(xù)的技術趨勢主要呈現(xiàn)為小型化、低接觸阻抗、大電流、高連接可靠性以及新的電池界面。

大電流電池連接器設計的重點在于如何降低端子的接觸阻抗，我們可以通過選擇導電性更好的材料、結構設計時加大接觸端子的正向力、加大端子接觸面積來實現(xiàn)。綜合考量產(chǎn)品結構和材料成本的因素，手機廠商目前多傾向于采用多根電源Pin并聯(lián)的方式來實現(xiàn)大電流的傳輸。

常見不同Pin數(shù)電池連接器的接線應用如下圖所示:

圖15 多Pin電池連接器常用的引腳定義

其中，ID Pin用于電池內阻的偵測，TH Pin用于電池溫度的偵測，依不同手機廠家的設計而配置。

6 結論

電池連接器是手機中極為重要的一個連接器部件，只有深入了解不同類型的電池連接器的結構特點以及應用方法，我們才能夠在產(chǎn)品結構設計中加以重點考量，以保證產(chǎn)品的接觸可靠性，設計制作出高可靠性、低成本的產(chǎn)品。手機結構設計人員也可以選用到更適合自己需要的電池連接器產(chǎn)品。

［1］ 杜長秀.連接器設計手冊.富士康(昆山)電腦接插件有限公司.

［2］ Nokia、Motorola、ZTE等公司電池連接器技術要求.

［3］ 李曉松.沖擊載荷作用下接觸結構的仿真分析.江蘇航空，2011增刊.