接触件铜材应用的基础技术研究
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扬奋为高工出席中国铜加工行业协会作“接触件铜材应用的基础技术研究”主题报告 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。开展接触件铜材应用的基础技术研究，对提升电连接器的品质水平意义重大。本文在详细论述接触件铜材应用基础技术研究目的和内容基础上，指出其实施要点，并提出了有关建议。 关键词 连接器 接触件 材料 应用 1 接触件铜材应用基础技术研究目的 电连接器是连接电子、电气整机系统广泛使用的基础器件，它的可分离性是区别于其它元件的特性或本质。电连接器技术研究通常由基础研究、应用基础研究和产品研发三部分组成：—是基础研究，研究电接触基础理论及连接器电接触可靠性，关注外界可能与行业发展相关的新技术动向(如3D打印、金属注射等增材制造新技术)，研究其对行业可能产生影响及可能的应用前景;二是应用基础研究，研究连接器产品设计、材料、制造工艺和检验方法等应用基础标准，关注产品研发团队需求，为研发团队提供技术支持，对产品使用出现问题故障分析，为解决问题提供方案;三是产品研发，根据需求进行新产品研制[1]。目前我国连接器大型企业通过“产、学、研”结合，组建含这三部分研究内容的协作团队，而中小企业往往仅关注新产品研发，前二部分研究能力非常薄弱。 最近笔者应邀赴某著名电连接器企业研发基地测试实验室参观学习和技术交流。发现部分研发试验人员虽学历很髙，但对电连接器零件材料选用和相应制作工艺的基础知识了解颇少。往往直接引用国外电连接器产品标准，但对其产品标准中每个零件设计选材的原由和依据理解甚少或根本不理解。反思其根源是由于我国电连接器产品过去以仿制为主，照搬照抄国外产品标准规范，只知道必须这样做，而不知道为什么要这样做，缺乏对电连接器接触件、绝缘体等关键零件材料应用的基础研究。面对众多国外引进用于的电连接器关键材料，我国具有自主知识产权的等效替代材料创新研究非常薄弱。导致用国产材料制作的电连接器和国外同类产品相比是“形似质差”。 2018年7月13日工信部副部长、国家制造强国建设领导小组办公室主任辛国斌指出：中国制造业创新力不强、核心技术短缺的局面尚未根本改变。工信部对全国30多家大型企业、130多种关键基础材料调研结果显示;32%关键材料在中国仍为空白，52%关键材料依赖进口。其中也涉及到电连接器，我国高端领域应用的电连接器接触件、绝缘体等关键零件材料长期依赖进口。每年从欧美、日本和韩国进口的高端铜板带达12千吨以上。 本文重点论述电连接器的关键零件之—，接触件铜材应用的基础技术研究。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。接触件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、耐蚀性、耐热性、表面质量、尺寸偏差和可焊性等方面进行综合考虑。我国用于制作高可靠电连接器接触件的铍铜等基础材料一直依靠进口。 随着国家供给侧结构性改革深化，人们在充分理解基础材料对保证电连接器产品质量的重要性同时，也越来越认识到选用国产材料替代进口的紧迫性。因为进口材料虽目前能完全满足连接器技术要求，但往往受价格和交货期，特别是受国际形势影响较大。而选择国产材料虽短期内部分质量—致性和可靠性指标尚不能达到产品设计要求，但从战略发展分析考虑必须解决制约我国电连接器发展的瓶颈之一，即解决国产材料选择和来源问题。 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，看到许多关键零件材料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接触件铜材应用概述 在一台典型的设备系统中，总会发现许多错综复杂的连接器等互连器件。它包括普通导线、印刷电路板、印刷电路连接器、背板接线和互连电缆等。通常可将在电子或电气设备上的连接方式分为以下六种类型。一个系统中不一定全部需要这六种连接类型，但肯定包含其中的一种或几种类型： 1) 元件内部的连接; 2) 元件至印制电路板或导线的连接; 3) 同一单机内部框架上印制电路板至导线或其它印制电路板(指框架内)的连接; 4) 同一单机箱体内从一个内部框架至另一内部框架之间的连接; 5) 由一个单机设备至另一个单机设备的外部连接; 6) 系统与系统之间的连接。 引线框架是实现第二类连接形式的接触件，它作为集成电路的芯片载体，借助于键合材料实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接，起到和外部导线连接的桥梁作用。 引线框架由于制作和封装应用需要，除高强度、高导热性外，还要求良好的可焊性、冲压性、蚀刻性和氧化膜粒粘接性等。根据产品需要的性能(强度、导电性、导热性等)，常选用铜-铁系C194、铜-镍-硅系C70250等制作。 连接器的阳接触件(插针)和阴接触件(插孔)是实现第三类至第六类连接的关键零件。它将来自连接器尾部所连电线和电缆的电压或信号传递到与其相配的连接器对应接触件上。 通常阳接触件为插针形，阴接触件为插孔形。根据接触件在绝缘体中能否被拆卸，可分为不可拆卸和可拆卸两种。针(孔)接触件通常分为刚性和弹性二种：刚性阳接触件形状为圆柱形或方形(圆插针或片插针)对应弹性阴接触件(直开槽、侧开槽、方形、线簧、片簧、冠簧插孔)。弹性阳接触件(绞线、片簧插针)形状为鼓形，对应刚性阴接触件。 接触件前端是实现插针与插孔有效接触的部位，后端是用于与导线、印制板等连接的端接部位。接触部位一般都选用弹性良好的铜合金丝材或带材。 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。此外,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。 3接触件铜材应用基础技术研究内容 3.1接触件铜材强化理论的应用研究 接触件在设计选材和工艺制造过程中应首先熟知其材料强化常用的几种机理; 1)冷变形强化 冷变形强化又称冷作硬化，金属材料在再结晶温度下的变形称冷变形。冷变形后材料即被强化，强化程度随变形度、变形温度及材料本身性质而不同。同一材料、同一温度下冷变形时，变形度越大强度越高，但塑性随变形度增加而降低[2]。变形强化受合金塑性限制，当变形度高到一定程度合金会出现开裂使材料报废。表1列出接触件常用黄铜、青铜合金带材按GB/T2059-2017规定的机械性能[3]。 表1 接触件常用黄铜、青铜合金带材机械性能(GB/T2059-2017)
表1中状态代号说明;O60 退火、H01 1/4冷硬、H02 1/2冷硬、H04 冷硬、H06 特硬、H08 弹硬。由表1可见，相同规格、牌号的铜合金带材抗拉强度和硬度，随冷作硬化变形量增加而提高，而塑性相应降低。连接器常选用C5191(QSn6.5-0.1)、QSn4-3等锡青铜制作插孔接触件。相同规格的C5191(QSn6.5-0.1)、QSn4-3等锡磷青铜具有比H62、HPb59-1等黄铜更高抗拉强度和硬度。但锡青铜添加锡成本增加，且导电率较低、反复折弯性能较差。为此国内外相继研发了C42500、C41125、PW33520(C42230)等高性能、低成本替代产品[4] ，其中我国研发的PW33520合金屈服强度570Mpa、导电率34%，是原C5191两倍，能满足高传输、低温升要求。坏方向折弯性能也比原C5191优秀明显。锡含量比原C5191低，可回收镀锡、镀镍角料。对比锡磷青铜综合性能优异、性价比高。 冷变形使合金内部晶粒大小和取向变化(图1)，位错大量增殖，位错在运动过程中相互作用形成割阶、缠结，阻碍位错进一步发生运动，从而提高材料强度。 冷轧带材在平行于轧制方向的塑性较好，但在钣金折弯中，折痕垂直于轧制方向的折弯性能较好。但因合金成分和制造工艺不同，也有与压延方向垂直的(横向)的折弯方向折弯加工性能更好的合金。连接器冲压接触件(端子)一般都存在与压延方向垂直的(横向)的折弯，因此，通常用比较铜合金带材横向折弯加工性来判断材料的折弯加工性优劣。
图1冷轧前后合金晶粒度变化 图2 溶质元素的固溶会引起晶格畸变 2)固溶强化 合金元素固溶到基体金属中形成固溶体时，合金强度、硬度一般都会提高，称为固溶强化。溶质元素的固溶会引起晶格畸变，阻碍位错运动，因此对提高合金的抗应力松弛性能是有帮助的(图2)。但固溶强化元素不能无限制添加，一方面是因为所有元素的固溶，都会不同程度地降低铜的导电率，另一方面，更重要的是元素添加量过多会恶化合金的加工性能。 铜合金固溶强化提高强度、硬度同时，塑性仍保持在良好水平上。锌固溶到铜中形成各种规格二元黄铜。锌在固态铜中溶解度不象一般合金系随温度降低而减小，相反是随温度降低而增加，当温度降至456℃时，锌在铜中溶解度增至最大为39%，进一步降低温度，锌在铜中溶解度随温度降低而减小。H62黄铜含38%锌，具有良好的机械强度、加工塑性、导电、导热和耐蚀性。广泛用于制作插针接触件。HPb59-1铅黄铜，在含40%Zn的黄铜中加1～2%Pb，不仅无害，还能使切屑易脱落，提高合金切削加工性。被誉为易切黄铜，也被常用于制作插针。 3) 沉淀强化(时效强化) 在固溶度随温度降低而减小的合金系中，当合金元素含量超过一定限度后，淬火可获得过饱和固溶体。在较低温度加热(即时效)，过饱和固溶体将发生分解，析出弥散相并引起合金强化，称为沉淀强化(或时效强化、弥散强化)。经时效热处理使基体中第二相颗粒呈细小弥散分布，除增加强度、硬度等力学性能外，还同时提高其导电率和导热率。是目前最常用的高性能铜合金强化方法。 作为高可靠连接器弹性接触件常用材料的铍青铜，是力学、物理、化学综合性能良好的一种合金。铍在铜中极限溶解度为2.7%(864℃)，随温度下降而急剧降低，在300℃降至0.02%。故铍青铜经淬火时效进行沉淀强化后，具有高的强度、弹性、耐磨性、耐疲劳性和耐蚀性。表2列出了按YS/T323-2012标准生产的QBe2铍青铜带固溶处理后不同冷作硬化处理和再补充沉淀(时效)处理后机械性能[5]。 表2 铍青铜带机械性能(YS/T323-2012)
表中代号说明：TB00固溶处理、TD01固溶处理 冷加工至1/4硬、TD02固溶处理 冷加工至1/2硬、TD04固溶处理 冷加工至冷硬、TF00固溶处理 沉淀处理、TH01固溶处理 冷加工至1/4硬 沉淀处理、TH02固溶处理 冷加工至1/2硬 沉淀处理、TH04固溶处理 冷加工至冷硬 沉淀处理。由表2可见，铍青铜具有比黄铜和其他青铜更高的强度和硬度，特别是补充沉淀(时效)处理后强度和硬度可比固溶处理后提高近一倍。例如制作0.635mm间距超微矩形电连接器的绞线式插针，采用三股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%，使绞线式插针针头性能稳定不易磨损。 4)过剩相强化 过量合金元素加入基体金属， 一部分溶入固溶体，超过极限溶解度部分不能溶入，形成过剩的第二相，简称过剩相。过剩相对合金一般都有强化作用。其强化效果与过剩相本身性能有关，过剩相强度、硬度越高，强化效果越大。但硬脆的过剩相超过一定限度会使合金变脆，机械性能反而降低。 过剩相强化和沉淀强化有相似处;过剩相强化时，强化相较粗大，用金相显微镜低倍即能观察到。而沉淀强化时，强化相极为细小、弥散度大，一般用金相显微镜观察不到。过剩相强化在有色合金中广泛应用，几乎所有在退火状态使用的两相合金都应用过剩相强化。 5)细化组织强化 细化组织是金属材料常用的强韧性方法之一，对单相合金是指晶粒细化，对多相合金是指基体相细化及过剩相细化。细化组织可提高材料室温强度、塑性和韧性。铸造合金可采用变质处理细化组织，即在浇注前在金属熔液中加入微量被称为变质剂元素或化合物，影响金属熔液结晶为细密组织。 图3、图4为锡磷青铜普通工艺和细化晶粒工艺的显微组织对比。变形合金可采用变形及再结晶方法组织细化。铜合金带材或丝材通过冷轧、冷拉和中间再结晶退火，使规格变得越来越薄和越来越细之同时组织细化。抗拉强度有所提高，而塑性适当降低。用于智能化连续冲压、电镀生产接触件(端子)的铜合金带材晶粒度和晶粒均匀度，将影响材料机械强度和折弯性能。细化晶粒可改善铜合金带材的折弯性能。
图3 普通工艺显微组织 图4 细化晶粒工艺显微组织 3.2 用于接触件的髙强度、高导电铜合金材料应用研究 铜合金中添加锌、铝、锡、锰、镍等元素固溶强化提高强度之同时，一般都会降低导电率。在导电率-抗拉强度关系图中不同合金系铜合金处于不同位置(图5)。
图5 铜合金抗拉强度-导电率关系 用于接触件的高强度、高导电铜合金应用研究主要有以下三方面; 1) 高导电方向铜合金的应用研究 高导电铜合金板带一般要求屈服强度500MPa以上，导电率80%IACS左右。主要应用于大电流连接场合，如基站电源连接器、新能源汽车连接器和智能手机连接器。智能手机内部搭载的连接器通电量呈增加趋势，每芯通电量由原来0.3A增至1.5～3.0A，由此要求铜合金在保持较高强度水平同时具有高导电性。USB TYPE-C公端端子原选用导电率12%的C52100锡磷青铜发热，改用导电率65%的高导电铜镍硅合金可抑制发热和温升。 2)平衡方向铜合金的应用研究 一般铜合金导电性越好，要维持高强度越难。平衡方向铜合金板带主要应用于对材料强度及导电率均有一定要求的场合，一般要求屈服强度650MPa以上，导电率65%IACS左右。例如重载连接器和USB TYPE-C母端端子要求高导电性和良好的耐插拔性，由于用户设计理念不同，有的重视导电性，有的重视屈服强度，故高导电铜镍硅合金有二种类型供用户选用;导电率65%、屈服强度650MPA，或导电率90%、屈服强度490MPA。 3)高强度方向铜合金的应用研究 |
