LGA接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

李翰文，鄭學(xué)飛，鮑小會，程利娟

（中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471003）

1 前言

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及軍用裝備上的應(yīng)用需求，電連接器正朝著高密度、微型化、模塊化等方向發(fā)展［1］，常規(guī)的印制電路連接器已難以滿足現(xiàn)有的使用要求，在對連接器外形尺寸有要求的應(yīng)用領(lǐng)域，低矮型、高密度連接器的應(yīng)用已成為一種趨勢［2］。LGA連接器通過接觸件直接與連接端壓合的接觸形式，省去了對插端的高度，同時其接觸件以平面陣列形式布置，可以達(dá)到很高的接點密度，因而成為了低矮型、高密度連接器的理想選擇，如圖1所示。但LGA接觸件特殊的結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致其容易發(fā)生屈服、疲勞等失效的缺點，造成了該類連接器機(jī)械壽命差、可靠性低的問題。針對LGA接觸件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，目前研究仍然較少。本文通過仿真分析手段，對某型連接器的LGA接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計，提出了對應(yīng)的改善措施，并通過機(jī)械壽命實驗對產(chǎn)品進(jìn)行了驗證。

圖1 LGA連接器

2 接觸件式接觸件的力學(xué)仿真

2.1 LGA接觸件結(jié)構(gòu)分析

電連接器的可靠性與其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理、完善直接相關(guān)，同樣作為電連接器的關(guān)鍵元件，接觸件的結(jié)構(gòu)設(shè)計也非常重要。應(yīng)將能否達(dá)到預(yù)期的性能要求、質(zhì)量以及可靠性作為接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點［3］。本LGA接觸件結(jié)構(gòu)可分為彈臂、固定端兩部分，如圖2所示。固定端具有較大的寬度以保證與連接器基體之間足夠的貼合面。彈臂部分接觸件寬度逐漸減少并呈弧狀翹起，在末端彎曲向下形成圓弧形觸點。

圖2 某LGA接觸件結(jié)構(gòu)示意圖

連接器處于工作狀態(tài)時，LGA接觸件被壓緊，依靠形變產(chǎn)生的彈性力保持可靠連接，在連接器的整個生命周期中，LGA接觸件會長期處于壓緊、釋放的交變應(yīng)力中。由于本產(chǎn)品接觸件厚度薄，撓度大，出現(xiàn)大量屈服甚至斷裂的風(fēng)險較大。因此，通過對接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，保證接觸件處于極限壓縮位置時塑性形變都在可接受的范圍內(nèi)就成了保證產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。LGA接觸件受壓變形時，接觸件彈臂在接觸壓力的作用下產(chǎn)生彈性變形，其彈性變形的模型可簡化為懸臂梁進(jìn)行分析［4］。如圖3所示。

圖3 懸臂梁模型示意圖

根據(jù)懸臂梁計算公式：

其中：E為LGA接觸件材料的彈性模量；I為插LGA接觸件截面對形心的慣性矩，插孔截面為矩形，I＝1／12×bh3；b為插孔擾變方向材料橫截面的寬度；h為插孔擾變方向材料橫截面的厚度；Δf為LGA受壓后的撓變量；L為LGA接觸件長度。

由公式可見，影響接觸件應(yīng)力分布的關(guān)鍵參數(shù)是接觸件長度、接觸件料厚及撓度。為滿足既定的產(chǎn)品指標(biāo)及功能，這三項參數(shù)已被限制在特定范圍內(nèi)，其余可能影響接觸件應(yīng)力應(yīng)變的主要為與接觸件具體形狀有關(guān)的彈臂傾角α、根部半徑R兩項，如圖4所示。因此在仿真設(shè)計中，針對這兩項參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

圖4 LGA接觸件參數(shù)

2.2 接觸件的三維建模

某型LGA連接器由LGA接觸件、基體等部件組成，其接觸件數(shù)量上百個，為加快仿真過程，快速求解，選定同類型中的一個結(jié)構(gòu)為研究對象，仿真模型進(jìn)如圖5所示。

圖5 仿真模型

方案中接觸件選用材料為鈹青銅，基體材料為紫銅，其具體材料參數(shù)如下：

表1 仿真所用的材料參數(shù)

根據(jù)應(yīng)用中的情況，建立仿真模型時，添加一個壓板結(jié)構(gòu)，將其設(shè)為剛體，使用參考點RP耦合板的一面，在LGA壓縮回彈過程中，給參考點RP一定的位移即可。設(shè)定LGA根部與導(dǎo)體捆綁接觸，導(dǎo)體與焊錫球捆綁接觸，板與觸點接觸的一面設(shè)定摩擦接觸，如圖6a。邊界條件設(shè)定導(dǎo)體與LGA的根部固定，建立仿真模型的邊界條件如圖6b所示。另外，該模型分析步設(shè)為2個，即壓縮分析、回彈分析。LGA按照六面體單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，導(dǎo)體設(shè)置四面體單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，焊錫球設(shè)置混合單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，壓板設(shè)置六面體單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖6c。

圖6 LGA結(jié)構(gòu)壓縮回彈分析的模型設(shè)置

2.3 接觸件力學(xué)仿真結(jié)果

2.3.1 接觸件傾斜角度變化對應(yīng)力和塑性變形的影響規(guī)律

圓弧半徑R為0.4mm，傾斜角度α分別設(shè)置為133°、135°、137°和139°，其應(yīng)力云圖、壓縮過程中正壓力值、壓縮過程中撓變量及撤去壓力后形變量等參數(shù)的仿真結(jié)果如圖7～9所示。

圖7 不同α值對應(yīng)壓縮到位時的應(yīng)力云圖

根據(jù)以上仿真結(jié)果分析可知，圓弧半徑不變時，隨著傾斜角度的增加，正壓力逐漸減小，壓縮后接觸件的塑性變形逐漸減小。故當(dāng)圓弧半徑不變時，增加傾斜角度可以減小結(jié)構(gòu)正壓力和塑性變形。因最大應(yīng)力值可能受集中應(yīng)力的影響，故最大應(yīng)力值隨著傾斜角度的變化沒有明顯變化規(guī)律。

圖8 撤去壓力后不同α值對應(yīng)的變形量

圖9

表2 接觸件傾斜角度變化對正壓力和塑性變形的影響

2.3.2 接觸件圓弧半徑變化對應(yīng)力和塑性變形的影響規(guī)律

第一組：傾斜角度為137°，圓弧半徑R分別設(shè)置為0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm和0.5mm，其應(yīng)力云圖、壓縮過程中正壓力值、壓縮過程中撓變量及撤去壓力后形變量等參數(shù)的仿真結(jié)果如圖10～12所示。

圖10 不同R值對應(yīng)壓縮到位時的應(yīng)力云圖

圖11 去壓力后不同R值對應(yīng)的變形量

圖12

表3 接觸件圓弧半徑變化對正壓力和塑性變形的影響

根據(jù)以上仿真結(jié)果分析可知，傾斜角度不變時，隨著圓弧半徑的增加，正壓力逐漸減小，壓縮后接觸件的塑性變形逐漸減小。故當(dāng)傾斜角度不變時，增加圓弧半徑可以減小結(jié)構(gòu)的正壓力和塑性變形。因最大應(yīng)力值可能受集中應(yīng)力的影響，故最大應(yīng)力值隨著傾斜角度的變化沒有明顯變化規(guī)律。

綜合仿真結(jié)果，接觸件彈臂傾角及根部圓弧半徑越大，接觸件回彈后高度越高，說明接觸件塑性形變發(fā)生的程度越低，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)盡可能增加彈臂傾角和根部圓弧半徑。

3 機(jī)械壽命測試分析

按α139°、R0.5mm的參數(shù)試制LGA接觸件，并采用機(jī)械壽命試驗的方式針對其進(jìn)行測試，試驗工裝如下圖13所示。

圖13 機(jī)械壽命試驗測試工裝圖

試驗選用的LGA接觸件料帶有10行×20列合計200個接觸件。使用插拔力試驗機(jī)其進(jìn)行壓合，頻率約為每小時400～600次。借助三坐標(biāo)測量儀，選擇接觸件陣列中第1、4、6、8、10排的第1、5、10、15、20個共計25個接觸件，分別測量記錄完成1次、20次、75次及200次壓合后它們的彈高進(jìn)行對比。200次壓合完成后，旋緊螺母將印制板壓緊，保證接觸件處于極限壓合位置，如圖25所示，保持24h后再次測量彈高進(jìn)行對比。試驗結(jié)果如下表所示。

圖14 接觸件陣列彈高變化

由表4中數(shù)據(jù)可見，第一，試驗結(jié)束后后，所有接觸件彈高減少都在4%以內(nèi)，最大彈高減少在0.02mm左右，屬于產(chǎn)品可以接受的范圍。第二，彈高的降低主要發(fā)生在第一次壓合后，其后隨著壓合次數(shù)的增加，彈高降低的不再明顯。這說明第一次壓合過程中接觸件發(fā)生了輕微塑性變形后發(fā)生了冷作硬化，其彈性階段得到了提高，短時間內(nèi)以相同幅度再重復(fù)壓合，其行程就包含在新的彈性變形階段內(nèi)。因此，塑性變形不再明顯增加。

表4 模擬機(jī)械壽命試驗中平均彈高變化

由表5、表6中數(shù)據(jù)可見，持續(xù)壓合24h后接觸件也無明顯塑性變形。綜合來看，在接觸件的機(jī)械壽命試驗中，沒有出現(xiàn)接觸件大量壓潰甚至斷裂的現(xiàn)象，接觸件殘余形變和蠕變導(dǎo)致的彈高降低都在可接受范圍之內(nèi)，這說明接觸件的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足既定的使用要求。試驗中發(fā)現(xiàn)實際的彈高降低值略小于仿真結(jié)果，偏差小于15%，證明仿真精度較為可信。偏差原因是仿真模型中，設(shè)置的約束為理想約束，除接觸件外其余部分為剛體，而實際壓縮過程中壓板以及接觸件與絕緣體的結(jié)合位置也會發(fā)生一定程度的彈性變形，因此形變不會類似仿真過程那樣集中在接觸件上。

表5 接觸件陣列各排平均彈高變化

表6 接觸件陣列各列平均彈高變化

4 總結(jié)

本文通過仿真測試的方式，并結(jié)合理論計算與經(jīng)驗公式分析，研究LGA接觸件的力學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通過仿真分析可以得出，LGA接觸件的應(yīng)力應(yīng)變與彈臂傾角、根部弧度半徑有關(guān)。圓弧半徑不變時，隨著傾斜角度的增加，正壓力逐漸減小，壓縮后接觸件的塑性變形逐漸減小；傾斜角度不變時，隨著圓弧半徑的增加，正壓力逐漸減小，壓縮后接觸件的塑性變形逐漸減小。

根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)對接觸件設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)，并采用機(jī)械壽命試驗的形式對接觸件料帶實物進(jìn)行了測試。測量對比了壓合1次、20次、75次、200次及壓合24h后的接觸件彈高。測試結(jié)果表明接觸件塑性形變在可接受范圍內(nèi)，接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足力學(xué)性能要求。