連接器耐久性與銅及銅合金帶組織相關(guān)性研究

張 鑫

（1.安費諾商用電子產(chǎn)品（成都）有限公司，四川 成都 611731；2.陶朗分選技術(shù)（廈門）有限公司，福建 廈門 361006）

耐久性是連接器可靠性的一個重要參數(shù)。對于如何測試連接器的耐久性，國內(nèi)外都制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如國外的EIA-364-09C［1］和國內(nèi)GB/T5095—1997（等效于IEC 512—1993）［2］。由于耐久性測試屬于破壞性試驗，需要較多的時間和成本，電子元件廠或成品廠在產(chǎn)品的型式試驗、驗證階段使用該測試方法。為了保證連接器的耐久性，連接器行業(yè)設(shè)計者多采用最大應(yīng)力方法或名義應(yīng)力法設(shè)計連接器的結(jié)構(gòu)。即通過有限元等設(shè)計方法保證在使用過程中的最大應(yīng)力或名義應(yīng)力小于材料的屈服強度，并根據(jù)應(yīng)力-壽命曲線（S-N曲線）計算連接器的耐久性［3-8］。雖然最大應(yīng)力方法或名義應(yīng)力法在理論上解決了連接器的耐久性的計算問題，但在實際連接器的使用中，卻常常出現(xiàn)連接器的耐久性與理論數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象，給使用者帶來了不必要的損失。如何解決這個品質(zhì)隱患，是連接器制造廠商及使用者需要共同面對的問題。

國內(nèi)外學(xué)者從連接器設(shè)計選材參數(shù)、正向力或插拔力、電鍍材料、表面粗糙度、潤滑條件等方面出發(fā)，對提高連接器耐久性做了大量研究。銅及銅合金帶是連接器最重要的基礎(chǔ)材料之一，但對銅及銅合金帶的本身性能與連接器的耐久性相關(guān)性研究較少。

1 連接器端子結(jié)構(gòu)

連接器的端子一般具有需求量大、超薄、形狀復(fù)雜、精度高等特點，通常采用連續(xù)模料帶的形式在高速精密沖床上沖壓制成。端子一般由頭部彎曲結(jié)構(gòu)和細長懸臂結(jié)構(gòu)組成［9］，如圖1所示。

為了提高生產(chǎn)效率和節(jié)省成本，經(jīng)過高速沖壓和電鍍后，在連接器裝配工序，生產(chǎn)者才將端子從料帶上裁切下來進行組裝。

圖1 連接器端子圖

2 銅及銅合金帶組織及特性

經(jīng)過多年的銅合金帶制造的發(fā)展，連接器用銅及銅合金帶主要制造方法可以簡述為：半連續(xù)鑄造或連續(xù)鑄造、銑毛坯面、多次軋制（包括多次熱處理）、精整、表面處理等生產(chǎn)工序［10］。由于銅及銅合金帶的軋制加工過程是沿著軋制方向的單向軋制，隨著軋制變形程度的增大，銅及銅合金帶的晶體逐漸形成軋制織構(gòu)。再加上軋制后熱處理的不同和熱處理前軋制變形程度的不同，銅及銅合金帶的晶體會出現(xiàn)不同的再結(jié)晶織構(gòu)。

織構(gòu)會給銅及銅合金帶不同方向的物理及力學(xué)性能帶來不一致現(xiàn)象，即各向異性。如在國內(nèi)外研究和實踐證明，銅及銅合金帶材縱向彎曲方向（Good Way）和橫向彎曲方向（Bad Way）的彎曲性能存在較大差異［11］，一般情況下，銅及銅合金帶材縱向性能好于橫向性能。銅及銅合金帶的橫向彎曲方向（Bad Way）和縱向彎曲方向（Good Way）定義見圖2［11］。

圖2 銅及銅合金帶的橫向、縱向彎曲方向定義圖

在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)YS/T 1041—2015《汽車端子連接器用銅及銅合金帶》［12］和GB/T 26007—2010《彈性元件和接插件用銅帶》［13］，及其美國ASTM B888/888M-13 《電連接器或彈簧觸點生產(chǎn)用銅合金帶材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》［14］都明確定義了銅及銅合金帶材的縱向、橫向彎曲參數(shù)的不同。

銅及銅合金帶在彎曲變形時，外側(cè)表面發(fā)生類似拉伸試驗的變形。彎曲過程中外側(cè)表面層拉伸不斷增加，逐漸產(chǎn)生彈性變形、塑性變形直至開裂。銅及銅合金帶材的縱向彎曲性能優(yōu)于橫向彎曲性能，也表明銅及銅合金帶材的縱向抗拉強度或屈服強度優(yōu)于橫向方向，并得到大量的試驗證明［15］。

3 相關(guān)性研究

3.1 橫向方向的屈服強度

由于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26007—2010和YS/T 1041—2015等規(guī)定的銅及銅合金帶的抗拉強度、屈服強度都是縱向方向的參數(shù)。連接器設(shè)計者在設(shè)計連接器壽命時，都以縱向方向的參數(shù)為依據(jù)。由于成本等壓力，連接器的端子普遍采用點鍍金等貴金屬的電鍍方式，連接器端子大多數(shù)分布在橫向方向（圖1）。即在連接器耐久性的設(shè)計參數(shù)與實際參數(shù)存在不一致現(xiàn)象。而沖壓工廠或連接器工廠收到的銅及銅合金帶時，已經(jīng)不易測試出橫向方向的具體強度。多數(shù)工廠使用維氏硬度來復(fù)核來料的強度性能，這種方法存在較大誤差，也不能區(qū)別縱向和橫向參數(shù)差異。這是部分連接器實際機械壽命小于設(shè)計壽命的原因之一。

在銅帶分條前，銅帶工廠可以較方便地測試出銅及銅合金帶的橫向方向的抗拉強度、屈服強度、延伸率等參數(shù)。為了保證連接器的耐久性，連接器工廠需要銅帶廠提供銅及銅合金帶的縱向和橫向機械強度參數(shù)。

3.2 彎曲性能R/T值

銅及銅合金帶的彎曲性能R/T值直接影響連接器端子的成型能力。在美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM B820《測定銅及銅合金帶材可成形性的彎曲試驗的試驗方法》［16］和國內(nèi)YS/T 1041—2015《汽車端子連接器用銅及銅合金帶》都要求縱向彎曲和橫向彎曲方向取樣測試。只是美國標(biāo)準(zhǔn)要求采用了彎曲試驗后使用30X放大儀器觀察，試樣彎曲外表面無可見裂紋的判定方法。而國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求使用肉眼觀察試樣彎曲外表面無可見裂紋。

理論上分析，按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)檢驗的銅及銅合金帶的彎曲性能比依照美國標(biāo)準(zhǔn)檢驗的銅及銅合金帶差。由此材料制造的連接器耐久性也比依照美國標(biāo)準(zhǔn)檢驗的銅及銅合金基材的連接器差。為了提高連接器的耐久性，連接器工廠及銅帶制造廠應(yīng)使用更嚴格的標(biāo)準(zhǔn)檢查銅及銅合金的彎曲性能R/T值。

3.3 晶粒大小與均勻性

現(xiàn)階段，細化晶粒（包括晶粒均勻性）是銅帶廠一種常用的提高銅及銅合金帶力學(xué)性能的手段。隨著超細晶和納米晶粒的研究和實驗，在一定范圍內(nèi)晶粒尺寸可以作為主導(dǎo)因素作用于銅及銅合金帶的力學(xué)性能；在該范圍外，作用銅及銅合金帶的力學(xué)性能的主導(dǎo)因素將發(fā)生改變，霍爾-佩奇（Hall-Petch）公式將不再有效，即出現(xiàn)反霍爾-佩奇現(xiàn)象［17］。在納米晶粒研究中，晶粒尺寸分布也會很大程度上影響銅及銅合金帶的力學(xué)性能，研究者發(fā)現(xiàn)雙模晶粒分布的銅及銅合金材料具有很好的拉伸韌性，同時還保持原高于其他細晶粒材料的強度［18］。在銅及銅合金帶的大批量工業(yè)生產(chǎn)中，適用霍爾-佩奇（Hall-Petch）公式還占主導(dǎo)地位。國內(nèi)的工業(yè)化銅及銅合金帶的細晶粒尺寸控制在10μm左右，個別銅帶可以控制細晶粒尺寸在5μm左右。德國、日本等國家使用累積疊軋（同步疊軋制）等技術(shù)，實現(xiàn)了超細晶粒銅帶的工業(yè)化生產(chǎn)［19］，其高端工業(yè)化銅及銅合金帶的細晶粒尺寸已經(jīng)控制在1～5μm。在連接器實際使用過程中，晶粒尺寸小和均勻性好的銅及銅合金帶具有更好的力學(xué)性能，由其制造的連接器的耐久性也更好。

4 結(jié)論

1）由于銅及銅合金帶制造的各向異性，軋制方向（縱向）的屈服強度好于垂直軋制方向（橫向），連接器設(shè)計者在設(shè)計連接器時，應(yīng)以垂直軋制方向的屈服強度為設(shè)計依據(jù)。

2）連接器用銅帶制造廠應(yīng)根據(jù)連接器端子的制造特點和連接器使用特點，在軋制方向（縱向）的機械性能基礎(chǔ)上，提供并保證垂直軋制（橫向）屈服強度。

3）在銅及銅合金帶彎曲性能測試嚴苛性和適用性上，ASTM B820-14a高于我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。使用更嚴苛標(biāo)準(zhǔn)測試的銅及銅合金帶的產(chǎn)品的耐久性和機械壽命也越高。

4）在霍爾-佩奇（Hall-Petch）公式適用的范圍內(nèi)，擁有更小的晶粒尺寸的銅及銅合金帶可以增加連接器的耐久性。

［1］ EIA-364-09C，Durability Test Procedure for Electrical Connectors and Contacts［S］. 1999.

［2］ GB/T 5095，電子設(shè)備用機電元件 基本試驗規(guī)程及測量方法［S］.1997.

［3］ 丁元淇，康金，杜艷平，等.車用連接器端子的結(jié)構(gòu)仿真分析［J］.汽車電器，2016（7）：51-53.

［4］ 張忠明，服部修次，田川紀(jì)英，等.銅合金的疲勞壽命預(yù)測［J］.材料熱處理學(xué)報，2005，26（5）：76-79.

［5］ 林葉芳，江丙云，閆金金，等.連接器端子件的結(jié)構(gòu)分析及其優(yōu)化研究［J］.機械設(shè)計與制造，2015（9）：215-218.

［6］ 杜永英，孔志禮，呂春梅，等.基于ANSYS某型電連接器拔插過程的可靠性分析［J］.中國工程機械學(xué)報，2015，13（6）：545-549.

［7］ 陳田海.基于名義應(yīng)力法的微型連接器疲勞壽命預(yù)測研究［J］.機電元件，2009，29（4）：20-24.

［8］王帥，吳運新，滑廣軍，等. 一種修正金屬材料S-N曲線的新方法探討［J］.熱加工工藝，2011，40（8）：35-37.

［9］ 黃珍媛，郭雷，周馳，等.連接器端子懸臂變形問題的工藝預(yù)防［J］.鍛壓技術(shù)，2008，33（6）：93-96.

［10］ 蘭利亞，李耀群，楊海云，等.銅及銅合金精密帶材生產(chǎn)技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［11］ 涂德華，張鑫.銅及銅合金帶彎曲試驗標(biāo)準(zhǔn)對比研究［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，29（5）：43-46.

［1 2］ YS/T1041，汽車端子連接器用銅及銅合金帶［S］. 2015.

［1 3］ GB/T26007，彈性元件和接插件用銅帶［S］. 2010.

［14］ ASTM B888/888M-13.Standard Specification for Copper Alloy Strip for Use in Manufacture of Electrical Connectors or Spring Contacts ［S］. 2013.

［15］易志輝.C2680黃銅帶材彎曲性能的研究［J］.銅業(yè)工程，2014（34）：5-10.

［16］ ASTM B820-14a，Standard Test Method for Bend Test for Determining the Formability of Copper and Copper Alloy Strip. ［S］.2014.

［17］ 賈少偉，張鄭，王文，等. 超細晶/納米晶反Hall-Petch變形機制最新研究進展［J］.材料導(dǎo)報， 2015（23）： 114－118.

［18］王玉臻，毛澤寧，趙永好.EBSD半原位研究雙模晶粒分布銅的變形機理［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報，2015，33（3）：343-351.

［19］王軍麗，史慶南，錢天才，等.大變形異步疊軋技術(shù)制備高強高導(dǎo)超細晶銅材研究［J］.航空材料學(xué)報，2010，30（3）：14-18.