高速背板連接器接觸件優(yōu)化設(shè)計(jì)

許彬彬，林俊淵，李玉龍，李長(zhǎng)江

（深圳市通茂電子有限公司，廣東 深圳 518109）

0 引言

傳統(tǒng)的CPCI 連接器已無(wú)法滿足要求，基于VITA46 總線標(biāo)準(zhǔn)的VPX 高速背板連接器，全部采用高速高密度接觸件，大幅度提高了系統(tǒng)帶寬及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，支持高速串行Rapid IO、PCIE 通信協(xié)議等，并具有很好的通用性以及可擴(kuò)展性，已在雷達(dá)裝備中得到廣泛的應(yīng)用。目前使用的連接器為Tyco的RT2(VPX)連接器，傳輸速率為10Gbps，已難以滿足新一代雷達(dá)裝備10GBASE-KR 以太網(wǎng)（10.3125Gbps）的傳輸要求，而且隨著貿(mào)易戰(zhàn)的升級(jí)，國(guó)家要求軍工裝備采用國(guó)產(chǎn)化元器件，為了保證可靠性，應(yīng)某總體單位的要求，我們?cè)赗T2(VPX)的基礎(chǔ)上，研制VPX20 高速背板連接器，傳輸速率可達(dá)20Gbps，滿足新裝備的使用要求[1-2]。

為解決和提高該連接器使用性和可靠性提供技術(shù)支撐，本文以VPX20 高速背板連接器為研究對(duì)象，對(duì)接觸件的模態(tài)、插入力、分離力、魚(yú)眼端子的壓入力和保持力進(jìn)行全面優(yōu)化，提高產(chǎn)品的可靠性。

1 VPX20 連接器介紹

VPX20 高速背板連接器具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）傳輸速率可達(dá)20Gbps，支持更高的帶寬。（2）管腳定義符合VITA46/48/65，PCB 封裝兼容國(guó)內(nèi)外的同類產(chǎn)品，滿足通用化的要求。（3）可按用戶需要組合成3U、4U、6U 等前后背板/子板的配置。（4）連接器為“無(wú)針”連接模式，采用PCB 晶片和接觸彈片作為傳輸介質(zhì)，PCB 晶片采用差分耦合微帶線結(jié)構(gòu)作為載體進(jìn)行信號(hào)互連和傳輸，硅晶片的材料采用高頻介質(zhì)M6。（5）連接器的接觸件包括插頭的音叉接觸件和接觸彈片接觸件，音叉和彈片與印制板之間的連接通過(guò)魚(yú)眼端子進(jìn)行連接，魚(yú)眼端子壓入PCB 過(guò)孔，即可連接，為免焊結(jié)構(gòu)。

2 模態(tài)優(yōu)化

研究結(jié)果表明，連接器上的金屬?gòu)椘倔w會(huì)有幾段固有頻率，當(dāng)某一段頻率值正好和外界施加的激勵(lì)振動(dòng)頻率值相近時(shí)，共振模態(tài)就會(huì)出現(xiàn)，當(dāng)這種外力在連接器的接觸對(duì)上時(shí)，尤其當(dāng)接觸對(duì)是彈性元件時(shí)，產(chǎn)生的大變形，造成電接觸瞬間脫離而導(dǎo)致接觸出現(xiàn)脫離的現(xiàn)象，從而造成電路斷開(kāi)[3]。因此，有必要通過(guò)ANSYS 軟件的Modal 模態(tài)分析研究接觸彈片的固有共振頻率，避免出現(xiàn)共振。優(yōu)化后的模態(tài)分析如下，各階模態(tài)都不在使用要求的10 ～2000Hz 之間，符合設(shè)計(jì)要求。

3 插拔力優(yōu)化

3.1 嚙合過(guò)程的接觸分析

當(dāng)插頭插入插座的過(guò)程中，PCB 晶片的金手指逐漸與插座的接觸彈片發(fā)生接觸，插入力為嚙合過(guò)程中壓縮接觸彈片變形的彈力和兩者的摩擦力之和，兩個(gè)相互接觸的表面在微觀上僅是各峰頂?shù)狞c(diǎn)接觸[4]。首先是若干個(gè)峰頂相互接觸，隨著插入深度的增加，接觸壓力也不斷增加，相當(dāng)一部分的峰頂由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形，隨著接觸峰頂?shù)脑黾樱佑|面積增大，單位面積上壓力減少，最終形成電接觸穩(wěn)定狀態(tài)[5]。當(dāng)連接器拔出時(shí)，金手指主要克服其摩擦力，因此，分離力F分離力通常比插入力小，連接器的正壓力F是保持可靠接觸的關(guān)鍵，但難以直接測(cè)量，由式（1）可知，分離力與正壓力成正比，工程應(yīng)用中通過(guò)控制分離力的最小值，確保接觸可靠性，插入力如果太大就不利于產(chǎn)品的正常使用，需要控制插入力的最大值。

3.2 力學(xué)分析

VPX20 高速背板連接器由多個(gè)接觸對(duì)陣列而成，為簡(jiǎn)化分析，選取一對(duì)接觸對(duì)進(jìn)行受力分析，如圖3。區(qū)別于RT2 產(chǎn)品，VPX20 產(chǎn)品的彈片為雙凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，雙凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以減少接觸對(duì)的“殘樁”，提高產(chǎn)品的傳輸速率，第一個(gè)凸點(diǎn)主要影響產(chǎn)品的插入力，第二個(gè)凸點(diǎn)主要影響產(chǎn)品的分離力[6]。

頭座插合后，接觸彈片發(fā)生彈性變形形成接觸壓力。將連接器內(nèi)部接觸件簡(jiǎn)化成懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖4 。其產(chǎn)生的接觸壓力F用式（2）表示：

式中：E—彈性模量；I—橫截面的慣性矩；L—懸臂梁長(zhǎng)度； —撓度；F—接觸壓力。

3.3 仿真優(yōu)化

建立三維模型，設(shè)置凸點(diǎn)的彈高尺寸進(jìn)行參數(shù)化掃描，通過(guò)ANSYS 進(jìn)行靜力學(xué)分析，尋求優(yōu)化解。根據(jù)實(shí)際材料情況，插座彈片材料選用為磷青銅（C5191），插座絕緣體材料選用為液晶聚合物L(fēng)CP，PCB 晶片材料為M6-5775 材料，設(shè)置插座絕緣體和PCB 晶片為剛性體模型，設(shè)置的密度、彈性模量等材料參數(shù)，有限元模型如圖5。PCB 晶片和彈片之間進(jìn)行接觸對(duì)設(shè)置，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，打開(kāi)大變形選項(xiàng)，求解非線性模型。

4 魚(yú)眼端子優(yōu)化

4.1 接觸分析

高速連接器主要采用順應(yīng)針結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)連接功能，其中使用最廣泛的是魚(yú)眼孔形狀順應(yīng)針，簡(jiǎn)稱魚(yú)眼端子，魚(yú)眼端子由其界面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成接觸彈簧功能，通過(guò)接觸彈簧與印制板過(guò)孔形成免焊結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生較大的接觸壓力，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靠連接[7-8]。本文選取插頭的魚(yú)眼端子進(jìn)行研究。

4.2 力學(xué)分析

魚(yú)眼端子壓入印制板壓接孔后，其力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，如圖7。

簡(jiǎn)支梁的最大撓度和正壓力的關(guān)系如式（3）：

式中，P—正壓力，L—簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度，E—材料彈性模量，I—慣性矩。對(duì)于寬度為b，高度為h 的矩形截面，其慣性矩如式（4）：

式中，b—梁的厚度，h—梁在受力方向上的厚度。由此可得，魚(yú)眼端子在插拔力理論計(jì)算如式（5）：

式中，F(xiàn)—插拔力，F(xiàn)1—端子與孔間作用力在軸向上的分量，u—摩擦系數(shù)，P—正壓力。

4.3 仿真優(yōu)化

將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，魚(yú)眼端子采用磷青銅（C5191），端子接觸區(qū)域四周倒圓角，設(shè)置其參數(shù)化掃描范圍為0.02 ～0.08mm；印制板金屬化過(guò)孔等效為銅合金材料。由于模型是對(duì)稱性的，將其簡(jiǎn)化為1/4 模型，可以提高計(jì)算速率。求解后其等效應(yīng)力云如圖8。

根據(jù)端子的等效應(yīng)力云圖，當(dāng)圓角為0.02mm 時(shí)，其最大應(yīng)力分布點(diǎn)位于圓角處，且圓角處嚴(yán)重變形，圓角與PCB 過(guò)孔之間產(chǎn)生“犁削”；當(dāng)圓角為0.08mm時(shí)，其最大等效應(yīng)力分布點(diǎn)位于端子厚度方向的平面上，而且其平面的寬度只有0.04mm，平面與PCB 過(guò)孔之間產(chǎn)生“犁削”。這兩種“犁削”現(xiàn)象都是應(yīng)該避免的，都無(wú)法提供穩(wěn)定的電接觸。因此，考慮產(chǎn)品的使用要求和模具加工能力，將端子圓角尺寸確定為0.03 ～0.07mm。魚(yú)眼端子的壓入力為9.7 ～12.7N，保持力為3.4 ～4.0N；產(chǎn)品的技術(shù)要求魚(yú)眼端子的壓入力≤15N，保持力≥3N，設(shè)計(jì)合理。

從圖9 和圖10 中可以看出，產(chǎn)品優(yōu)化前存在明顯的“犁削”現(xiàn)象，優(yōu)化后，產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中不存在“犁削”現(xiàn)象，可以保證魚(yú)眼端子和過(guò)孔之間的可靠接觸。

5 振動(dòng)試驗(yàn)

通過(guò)以上接觸件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們?yōu)榱蓑?yàn)證接觸件的接觸可靠性，將產(chǎn)品按GJB1217A-2009 中試驗(yàn)方法2005 中隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度0.2G2/Hz 的要求進(jìn)行X、Y、Z方向的振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)過(guò)程中Y方向出現(xiàn)了大于1μs 的，按模態(tài)分析、插拔分析和魚(yú)眼端子的壓接分析，可知，產(chǎn)品的共振頻率、插入力和分離力和壓接效果都符合要求，振動(dòng)過(guò)后，產(chǎn)品的接觸電阻變得非常大，而且PCB 晶片的金手指有明顯磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致失效原因應(yīng)該是微動(dòng)磨損引起的，接觸彈片中間沖孔的位置有點(diǎn)側(cè)翻，其銳邊在Y方向的振動(dòng)過(guò)程中，在兩接觸體的表面之間進(jìn)行小幅度振蕩運(yùn)動(dòng)，反復(fù)摩擦接觸表面，導(dǎo)致接觸電阻逐漸變大，當(dāng)接觸電阻大于瞬斷儀的檢測(cè)電阻（7Ω）就會(huì)產(chǎn)生瞬斷。將彈片的沖孔位置整平后，產(chǎn)品的隨機(jī)振動(dòng)無(wú)瞬斷。

6 結(jié)論

本文VPX20 連接器為研究對(duì)象，對(duì)該連接器進(jìn)行了力學(xué)建模和仿真分析，主要分析了接觸件的模態(tài)、插入力、分離力、魚(yú)眼端子的壓入力和保持力等機(jī)械性能，采用ANSYS 仿真軟件對(duì)接觸件進(jìn)行參數(shù)化力學(xué)仿真并確定優(yōu)化解。根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)中的微動(dòng)摩擦失效進(jìn)行改進(jìn)，將接觸面整平，最終通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，符合可靠性要求。