接触件铜材选用可靠性研讨
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摘要 接触件铜材品质是影响连接器电接触可靠性的关键因素。开展接触件铜材选用可靠性研究，对实现我国高端电连接器接触件铜材替代进口目标，全面提升电连接器质量和可靠性总体水平意义深远。本文在阐述接触件功能和设计结构基础上，对接触件铜材选用现状、选用可靠性和开展可靠性系统工程建设进行了分析研讨。 关键词 接触件 铜材 选用 可靠性 1引言 电连接器可分离性是区别于其它元件的特性或本质。接触件插合接触界面和与电线电缆端接界面的不确定性，是影响电接触可靠性的关键因素。铜材是制作电连接器关键零件—接触件(俗称端子或接插件)的基础材料，其品质是直接影响连接器电接触可靠性的关键因素。在所有影响因素中，接触件铜材品质是最根本的，也是最基础的。 接触件铜材的合理准确选用是一门跨界交叉科学。在成千上万不同品种规格的铜材中，要准确遴选出合适的接触件铜材并非易事。不仅要熟悉铜合金材料科学，还应熟悉连接器设计结构对其关键核心零件“接触件”的力学、电学和环境性能等要求。 连接器产品准确合理选材是可靠性设计的重要内容。回顾我国电连接器行业发展史，由于没有经历正向设计阶段，往往都是照搬照抄国外标准仿制产品，接触件铜材牌号、规格、状态等都是国外标准规定的。现在有个误区，部分铜加工企业往往脱离实际应用，片面追求接触件铜材高强度、高电导。事实上接触件铜材选用和药品一样也要对症下药，合适就是最好的。 笔者作为—名上世纪六、七十年曾致力于导弹、火箭等航天金属材料国产化研究的老专家。每当亲临电连接器企业生产现场，看到许多接触件铜材都依赖进口十分拗心。我认为关键基础材料和芯片一样也是国家核心技术，是—个国家强大具有实力的象征。强国必须从关键基础材料抓起，它是一项耗资巨大、见效慢，但意义不亚于飞船、商飞、高铁的国家系统工程。 2 接触件功能和设计结构 2.1 接触件功能 接触件是连接器导电的核心零件，它将与电线电缆线芯端接的一端电流能量和信号，通过插针(孔)插合或弹簧针接触件接触界面，传输到与其相插合或接触的接触件端接的电线电缆线芯另一端。插针、插孔接触件都分为刚性和弹性二种：刚性插针接触件对应弹性插孔接触件(刚性圆插针或片插针对应弹性片簧、冠簧或线簧插孔);弹性插针接触件(弹性绞线或片簧插针)对应刚性插孔接触件。 每个接触件前端是实现插针与插孔有效电接触部位，后端是与导线、印制板等电连接的端接部位。电接触部位一般选用弹性良好的铜合金丝材或带材。 2.2 接触件设计结构 连接器可分离性是区别于其它元件的特性或本质。连接器接触件电接触界面可分为动态接触界面和静态接触界面两类(图1)。插针、插孔接触件插合接触界面和与电线电缆端接界面的不确定性，是影响电接触可靠性的关键因素。电接触界面某些离散区域的形成，真正接触并起传导作用区域的构成，决定了连接器电接触可靠性。接触界面理论是电连接器设计的基础理论和核心。没有可靠机械连接构建的电接触界面，就没有可靠的电连接器。
图1 连接器接触件电接触界面结构分类 1) 弹性插孔对应刚性插针 (1) 车制片簧插孔 侧开槽 釆用铜棒(线)车制，结构简单、体积小、单点接触、可靠性一般。适用于高密度通用连接器。 直开槽 釆用铜棒(线)车制，多点接触、抗振性较好，可靠性较高。用于数十安以下电流高密度通用连接器。 (2) 冲制片簧插孔 方形 釆用铜带经多工位冲制成。内簧片与插针紧密接触保证低而稳定的接触电阻，外簧片卡在绝缘体台阶上起固定作用。适用于印制板连接器。 圆形 用铜带连续冲压成形，可实现效率高、成本低的大规格、自动化量产。适用于冲制冠簧插孔或用冲制插孔(针)替代原J599通用连接器的车制插孔(针) 。 分体形 鹰爪插孔、簧爪插孔和反转簧爪插孔。节省贵金属、接触可靠、制造精度和效率高，是传统直开槽插孔替代产品。广泛用于航空、航天、信息等高端领域。 (3) 冠簧插孔 采用高弹性铜带冲压簧片，并扭转成型，形成一个双曲线型笼式的扭转接触面。插拔力小、承载电流大、生产效率高。常用于民用大电流连接器。 (4) 线簧插孔 由多根弹性铜丝按双曲面直母线排列，形成两端大、中间小的鼠笼式插孔。插拔柔和、插拔寿命达10万次、抗振性高、承载电流大(800A)、可靠性高。常用于高可靠、高密度印制板连接器。 2) 弹性插针对应刚性插孔 (1) 绞线式弹性插针 柔性插拔、多线弹性接触、可靠性很高、载流量随插拔寿命没明显下降。适用于直径小于0.5mm的高可靠微矩型或超微矩型连接器。 (2) 片簧式弹性插针 用铜带冲压片簧替代铜丝绞线，工艺简化、成本低。直径0.4mm的片簧式弹性插针额定电流3A。组装成间距0.635mm的J70系列超微矩形连接器，成功应用于航空、航天和通讯等行业。 3 接触件铜材选用现状和选用要点 3.1 选用现状 国军标GJB1216[电连接器接触件总规范规定：最高工作温度125℃接触件一般使用铜合金，没有规定材料类别。有些连接器总规范虽规定插孔接触件选用铍铜或磷青铜，但又规定与详细规范不一致时，以详细规范为准。 电连接器现行标准仅规定了接触件的工作直径、镀金层厚度、分离力和保持力等主要技术参数，并未规定铜合金材料牌号、规格和状态。我国连接器产品过去以仿制为主，一般都沿用国外铜材牌号。 为防止刚性插针插拔时弯曲损伤,插针常选用具有较高机械强度的黄铜(H62、HPb59-1等)制作。为保证弹性插孔插合时接触可靠,防止塑性变形和应力松弛,插孔常选用具有较高弹性极限与疲劳极限和适当弹性模量的锡青铜(QSn4-3、QSn6.5-0.1等)、铍青铜(C17200、QBe2等)或镍硅青铜(C70250等)制作(表1)。 接触件铜材还要求其加工成型性良好、内部弹性均匀、耐蚀性好、导电、导热率高和可焊性好等。 表1 接触件常用铜材一览表
我国连接器行业没有经历正向设计阶段，都是仿制产品，接触件铜材牌号、规格、状态等源于国外标准。近年来我国铜加工骨干企业为实现替代进口目标，开展铜材熔铸、轧制、热处理、精整等一系列工艺攻关,部分接触件铜材已成功应用航空、航天等高端应用领域(表2)。但由于产业链上下游企业受体制和利益束缚，不能组建联盟形成生产应用良性循环。 必须通过改革现行机制，将产业链上的材料研究、生产与应用等单位组成接触件铜材应用基础研究联盟。以改变目前材料生产与材料应用脱节，造成材料研究和标准制定流于表面化，材料很难适应不同应用领域的差异化工艺技术要求的现状。 表2 几种常用弹性接触件铜材性能和应用
连接器小型化，使制作接触件所选铜带越来越薄、丝材越来越细，目前国产铍铜带材、丝材实际生产严重滞后于标准规定，往往是“有标准、无产品”。国产铍铜生产企业尚难提供现行行业标准中规定的各牌号的所有规格、状态和性能。间距0.635mm超微矩形连接器绞线式插针，釆用三股0.06mm铍铜线外包着七股0.038mm铍铜线，绕成的缆束直径仅0.2mm。经280℃、2h时效处理后显微硬度明显提高，与未经时效处理相比，硬度提高70%。目前选用的1/4Y(1/4冷作硬化)状态0.038mm铍铜丝，只得选用进口C17200鈹铜丝材。 发达国家凭借浓厚的应用基础研究实力，对接触件铜材选用基础研究十分重视和科学严谨。例如瑞士PD公司产品样本详细规定了每个接触件型号采用的材料牌号、镀层、质量等级、不同插合直径下的插入、拔出力曲线、保持力和机械寿命等。 3.2 选用要点 表3 接触件铜材选用要点
接触件选材时应以性能要求为依据，从弹性极限、弹性模量、强度、延伸率、疲劳强度、成型性、导电性、耐蝕性、耐热性、表面质量、尺寸偏差和可焊性等方面进行综合考虑(表3)。由于我国电连接器产品过去以仿制为主，缺乏对接触件铜材应用基础研究，具有自主知识产权的等效替代材料创新研究非常薄弱，国产与进口接触件铜材存在一定差距(表4)，导致用国产接触件铜材制作的电连接器和国外同类产品相比往往是“形似质差”。 表4 国产和进口接触件铜材差距
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