一種端子具有刮擦功能的射頻測試座的設(shè)計(jì)

高 輝

(蘇州中興聯(lián)精密工業(yè)有限公司，江蘇蘇州，215151)

1 引言

連接器產(chǎn)品在使用過程中，端子接觸表面常常會出現(xiàn)一些異物，比如SMT制程中的助焊劑、產(chǎn)品組裝制程中的灰塵等，導(dǎo)致端子間接觸電阻變大，且極不穩(wěn)定，嚴(yán)重時甚至?xí)绊憣?dǎo)通性能。為了保證端子的可靠接觸，我們通常會采用加大彈性端子接觸時的正向力，或者連接器配插時保證有一定的刮擦距離(Wiping Distance)來有效地去除端子接觸表面的異物，以減小接觸電阻。

但是，彈性端子的正向力也不可能設(shè)計(jì)過大，除了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和使用材料的限制外，過大的正向力也會加快對接觸鍍層的磨損，同時也會增大插拔力，影響互配使用時的手感。手機(jī)用精密電子連接器由于空間限制，現(xiàn)在設(shè)計(jì)的正向力都非常小，因此無法通過加大正向力來克服端子表面異物對接觸電阻的影響。

刮擦距離的設(shè)定值也不可以太短，一方面是為了確保清除表面異物的效果，另一方面也是為了包容連接器產(chǎn)品的制造公差以及客戶系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)件堆疊的公差，保證產(chǎn)品在遭受振動沖擊時也能保持可靠地接觸。一般設(shè)計(jì)，最短的端子也要有1.0mm以上的刮擦距離才較為保險。

但隨著消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品外形體積越來越小，例如VIVO X5 Max智能手機(jī)其厚度已做到了4.75mm，如此對連接器產(chǎn)品的尺寸空間要求越來越嚴(yán)苛。以BTB產(chǎn)品為例，嵌合高度為0.80mm已得到廣泛應(yīng)用，0.4mm嵌合高度的BTB產(chǎn)品也已有廠家開發(fā)成功。此類型的精密連接器產(chǎn)品，不可能設(shè)計(jì)有足夠的刮擦距離，即使在端子接觸區(qū)域打上凸點(diǎn)或凸肋，其改善效果也不會太明顯。

由于結(jié)構(gòu)所限，這類產(chǎn)品的端子接觸表面更容易沾附有異物且不易被發(fā)現(xiàn)。因此對于手機(jī)連接器，設(shè)計(jì)具有刮擦功能的彈性端子顯得尤為重要。

本文主要結(jié)合手機(jī)用RF Switch射頻測試座(3.0x3.0)的開發(fā)，對一款具有刮擦功能的雙向彈性端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作一概述。

2 RF Switch 射頻測試座產(chǎn)品介紹

如圖1所示，射頻測試座主要用于手機(jī)生產(chǎn)組裝過程中的射頻性能測試，正常情況下其一對端子為常閉接觸狀態(tài)。測試過程中測試人員會使用如圖2所示的探針插入射頻測試座，射頻信號將通過彈性端子與探針接入測試設(shè)備完成射頻性能測試，測試OK后去除探針，測試座的接觸端子恢復(fù)常閉狀態(tài)。手機(jī)正常工作狀態(tài)下，射頻信號通過測試座的端子接入主板，其工作狀態(tài)原理如圖3所示。

(a)產(chǎn)品外形 (b)主要結(jié)構(gòu)尺寸 (c)手機(jī)應(yīng)用圖例

圖2 測試用探針

圖3 測試座工作狀態(tài)示意圖

RF射頻測試座的主要規(guī)格要求如下：

——電氣性能:

1) 低功率接觸阻抗(LLCR)50mΩ Max.

2) 耐電壓(Withstanding Voltage): 300V A

3) 電壓駐波比(VSWR): 1.2 Max. (0.1～3GHZ)1.3 Max. (3～6GHZ)

4) 插入損耗(Insertion Loss): 0.1dB Max.( 0.1～3GHz) 0.2dB Max.(3～6GHz)

5) 隔離度(Isolation): 20dB Min.( 0.1～3GHz)

15dB Min.(3～6GHz)

——機(jī)械性能:

1) 耐久性(Durability): 30 cycles；

2) 插入力(Mating force): 20N Max.；

拔出力(Un-mating force): 3N Min.。

3 初始產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品驗(yàn)證

依據(jù)上述產(chǎn)品性能要求，初始設(shè)計(jì)方案如下圖4和圖5所示。

圖4 產(chǎn)品外觀

圖5 產(chǎn)品爆炸圖

公母端子的配合結(jié)構(gòu)如圖6所示。

(a) 端子配合圖 (b)工作狀態(tài)圖 (c) 端子接觸剖面圖

設(shè)計(jì)方案說明：

1)彈性端子采用普通的懸臂梁結(jié)構(gòu)，固定端子接觸區(qū)域打雙凸肋，以提高接觸可靠性；

2)端子側(cè)向向下彎折出倒刺結(jié)構(gòu)，可豎直壓入塑膠本體；

3)塑膠分兩片式，可扣合在一起以固定端子；

4)金屬外殼用于包容塑膠件并形成EMI屏蔽功能；

5)端子焊腳上部區(qū)域均采用鎳隔離帶電鍍方式處理，可有效防止爬錫現(xiàn)象發(fā)生。

以上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)經(jīng)過FEA仿真分析，端子力學(xué)性能完全符合設(shè)計(jì)要求，如圖7所示。樣品制作完成后，通過完整的信賴性測試分析，產(chǎn)品所有機(jī)械、電氣性能及環(huán)境特性均滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格要求。

圖7 正向力曲線圖 (F=0.42N)

但是，該產(chǎn)品在小批量出貨過程中，客戶反饋此測試座存在SMT后端子不導(dǎo)通、測試天線功率偏低等不良，不良率約有2%左右。

盡量樣品在組裝制程中均全部通過了導(dǎo)通測試，我們對不良樣品的分析測試，產(chǎn)品外觀良好，彈性端子的正向力也滿足規(guī)格要求。在對不良樣品進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)，所有不良樣品的端子接觸區(qū)表面均存在有異物(如圖8示)，可見端子接觸區(qū)域出現(xiàn)異物是導(dǎo)致測試座在使用端產(chǎn)生不良的根本原因。經(jīng)分析，此異物成份為SMT制程中的助焊劑。

圖8 接觸區(qū)域異物圖片

連接器產(chǎn)品在SMT制程以及手機(jī)組裝制程中遇有助焊劑、灰塵等異物在所難免，一個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好的連接器產(chǎn)品即使在存在異物的環(huán)境下必須仍能夠可靠地工作。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所限，再企圖增大端子的正向力無法實(shí)現(xiàn)，必須考量在端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加刮擦功能以自動排除異物，保證端子的有效接觸。而原有設(shè)計(jì)方案中，彈性端子與固定端子是直接接觸的，接觸過程中不會產(chǎn)生刮擦行程。

4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更及產(chǎn)品驗(yàn)證

為了解決異物刮擦問題，我們重新設(shè)計(jì)了如圖9所示的雙向彈性端子結(jié)構(gòu)。

圖9 雙向彈性端子配合結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)方案變更說明：

1)固定端子接觸面從平面打雙凸肋結(jié)構(gòu)優(yōu)化為倒V型結(jié)構(gòu)；

2)彈性端子主體仍為懸臂梁結(jié)構(gòu)，但在接觸端設(shè)計(jì)成分叉式雙彈性臂，通過固定端子給予一定的預(yù)壓行程，分叉端子彈性臂會有一定收縮，彈性端子與固定端子接觸的瞬間，會產(chǎn)生一定的刮擦距離；

3)端子接觸區(qū)域采用兩點(diǎn)式接觸，接觸導(dǎo)通穩(wěn)定；

4)彈性端子依靠下料面的邊緣與固定端子接觸，會有更好的接觸效果。

如此設(shè)計(jì)，端子具有雙向彈性結(jié)構(gòu)，可以有效實(shí)現(xiàn)刮擦排擠異物的功能。

針對端子結(jié)構(gòu)變更后的新方案，我們重新進(jìn)行了FEA仿真分析，其分析模型和彈性端子兩側(cè)接觸點(diǎn)的應(yīng)力曲線分別如圖10和圖11所示。

圖10 FEA分析模型

新型端子結(jié)構(gòu)的樣品在經(jīng)過實(shí)際組裝測試后，我們又進(jìn)行了拆解分析，經(jīng)觀察固定端子兩側(cè)面有明顯的刮擦痕跡，如圖12所示。

左側(cè)觸點(diǎn)應(yīng)力曲線圖(F=0.35N)

右側(cè)觸點(diǎn)應(yīng)力曲線圖(F=0.35N)

(a)初態(tài)端子表面 (b)左側(cè)接觸面刮痕 (c) 右側(cè)接觸面刮痕

5 改善后產(chǎn)品性能測試結(jié)果

針對該款產(chǎn)品對異物的刮擦特性，我們專門進(jìn)行了灰塵測試。將150pcs經(jīng)SMT焊板后的產(chǎn)品裝入放有各種灰塵異物的PE袋中，充分晃動后取出產(chǎn)品，用萬用表分別測試其導(dǎo)通性能，并用毫歐姆計(jì)測量產(chǎn)品的接觸阻抗。測試結(jié)果表明，沾染灰塵異物后的產(chǎn)品均可正常導(dǎo)通，阻抗數(shù)值也符合設(shè)計(jì)要求，說明現(xiàn)有端子刮擦異物功能有效。產(chǎn)品其他機(jī)械及電氣性能參數(shù)測試結(jié)果均符合要求，相關(guān)測試結(jié)果不再贅述。

改善后的產(chǎn)品送客戶小批量驗(yàn)證合格后，已進(jìn)入批量交貨狀態(tài)，客戶端未再有接觸不良投訴發(fā)生。依據(jù)這種雙向彈性端子結(jié)構(gòu)，我們又相繼開發(fā)了2x2、1.8x1.8、1.6x1.6等多個規(guī)格的RF射頻測試座產(chǎn)品，形成了一個完整的產(chǎn)品系列。

6 總結(jié)

隨著消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，手機(jī)類連接器產(chǎn)品越來越輕、薄、短、小，其接觸表面在生產(chǎn)及使用過程中沾染有異物在所難免，因此我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時必須要充分考慮其刮擦異物功能，以保證其接觸可靠性。除了本文介紹的雙彈性端子結(jié)構(gòu)外，我們在DDR、BTB、超薄卡類連接器等產(chǎn)品上通過端子觸點(diǎn)形狀、接觸方式的設(shè)計(jì)在刮擦異物方面也都作了卓有成效的探索，此設(shè)計(jì)理念也可以擴(kuò)展至其他產(chǎn)業(yè)的連接器產(chǎn)品。