徐 祥

(安費諾(常州)高端連接器有限公司上海分公司，上海閔行，201103)

1 微型SD存儲卡介紹

微型SD存儲卡，英文名稱Micro SD Card，原名Trans-flash Card(TF卡)，2004年正式更名為Micro SD Card，由SanDisk(閃迪)公司發(fā)明。由于其外形尺寸較小，所以廣泛應(yīng)用于移動智能終端設(shè)備存儲數(shù)據(jù)。微型SD存儲卡的外形尺寸和接觸區(qū)金手指定義如圖1所示。

圖1 微型SD卡主要尺寸和接觸區(qū)金手指定義

2 微型SD存儲卡連接器類型

微型SD存儲卡連接器，是用來放置存儲卡的連接器。由于移動智能終端種類繁多，為了滿足不同設(shè)備的需求，從對存儲卡的操作方式上來看，目前市面上的微型SD存儲卡連接器主要有三種，即翻蓋式、插入時、推進(jìn)推出式，如圖2所示。從連接器的復(fù)雜程度來看，推進(jìn)推出式微型SD連接器的結(jié)構(gòu)是最復(fù)雜的。而從用戶操作的方便性來看，推進(jìn)推出式連接器，是操作最方便的。推進(jìn)推出式微型SD存儲卡連接器一般都會設(shè)置偵測端子，這也是本文討論的重點，對于此類連接器其他方面的結(jié)構(gòu)，本文不做討論。

圖2 常用的微型SD卡連接器種類

3 微型SD存儲卡連接器偵測端子闡述

當(dāng)微型SD存儲卡連接器設(shè)置有偵測端子時，產(chǎn)品可以支持熱插拔功能，可以在移動智能終端設(shè)備電源不關(guān)閉的情況下進(jìn)行插拔存儲卡。當(dāng)存儲卡插入或者拔出時，兩個偵測端子會接觸或者分離，從而偵測電路會給移動智能終端設(shè)備發(fā)送信號，從而判斷存儲卡是否在設(shè)備里面。在連接器上，偵測端子都是成對出現(xiàn)的。如圖3所示，為推進(jìn)推出式微型SD存儲卡連接器偵測端子典型設(shè)計，在存儲卡插入連接器的過程中，存儲卡會先接觸偵測端子1，并推動偵測端子1與偵測端子2 接觸，從而實現(xiàn)移動智能終端對存儲卡的插入偵測。

圖3 微型SD存儲卡連接器偵測端子

對于偵測端子，常見的有常閉和常開偵測端子，如圖4所示。常開偵測端子設(shè)計，因為其可靠性高，在連接器上是最為常見的一種設(shè)計。常閉偵測端子因為在SMT的焊接過程中會出現(xiàn)一些品質(zhì)問題，所以很少會應(yīng)用到實際產(chǎn)品中。

圖4 偵測端子的類型

在微型SD存儲卡插入連接器的過程中，信號端子和偵測端子在接觸順序上也是有嚴(yán)格要求的。只有在所有的信號端子都接觸上以后，偵測端子才能接觸；而在存儲卡退出連接器的過程中，偵測端子先與卡分離，信號端子才會與卡分離。這是偵測端子設(shè)計的基本原則，只有這樣，才能確保存儲卡的安全插拔。

4 微型SD存儲卡連接器偵測端子的設(shè)計探討

微型SD存儲卡連接器偵測端子對連接器的重要性不言而喻，所以對偵測端子的可靠性設(shè)計的研究是存儲卡連接器功能得以可靠實現(xiàn)的基礎(chǔ)。受連接器產(chǎn)品尺寸的限制，偵測端子在連接器上的放置位置也是有局限性的。

4.1 偵測端子在連接器上可以放置的位置

如圖5所示，為微型SD卡連接器的基座，在基座上A、B兩個區(qū)域都是可以放置偵測端子的區(qū)域。具體放置的區(qū)域，可以根據(jù)客戶的要求進(jìn)行選擇。但一般來說，連接器廠家都會選定一個區(qū)域，做出一個穩(wěn)定可靠的設(shè)計來推向市場。

圖5 偵測端子放置位置

而偵測端子在連接器上放置的位置，也決定了偵測端子工作的時候，偵測端子1與存儲卡接觸的位置。如圖6所示，A′與圖五的A相對應(yīng)。而對于偵測端子放置在B的位置，則是通過存儲卡位置B′推動存儲卡上的另外一個零件心型槽，心型槽與偵測端子1發(fā)生作用(心型槽是推進(jìn)推出機(jī)構(gòu)的一個核心零件，本文不做討論)。

圖6 偵測端子1與存儲卡接觸的位置

4.2 微型SD卡連接器上常見類型及偵測端子設(shè)計

圖7是市面上五種有代表性的推進(jìn)推出微型SD卡連接器。其偵測端子的設(shè)計都不相同，不同的設(shè)計，偵測端子的工作方式是不一樣的，同時也決定了偵測端子工作的可靠性。針對這五款偵測端子設(shè)計只進(jìn)行探討，對其設(shè)計上的缺陷的優(yōu)化，不做討論。對于類型5的產(chǎn)品，是本人在一家連接器公司工作期間負(fù)責(zé)的一個項目，這款產(chǎn)品的偵測端子的設(shè)計充分結(jié)合微型存儲卡連接器本身的特點，充分理解偵測端子的工作原理所得出的一個穩(wěn)定可靠的設(shè)計。

本文后面的內(nèi)容通過對各偵測端子的結(jié)構(gòu)分析以及FEA仿真分析，可以看出各種偵測端子設(shè)計的優(yōu)缺點。

圖7 常見的推進(jìn)推出微型SD卡連接器

4.2.1 類型1微型SD卡連接器偵測端子設(shè)計說明

如圖8所示，存儲卡插入連接器中，存儲卡推動心型槽向前，同時心型槽推動偵測端子1向偵測端子2 靠近直至兩個偵測端子相互接觸。這是比較常見的一種偵測端子的設(shè)計方式，只要兩個偵測端子之間的間隙以及兩個偵測端子之間的接觸力能夠得到保證，其應(yīng)用可靠性還是有保證的。

圖8 類型1微型SD卡連接器偵測端子

4.2.2 類型2微型SD卡連接器偵測端子設(shè)計說明

如圖9所示，一家日本的連接器廠商的設(shè)計。當(dāng)存儲卡插入連接器中，存儲卡推動偵測端子1向偵測端子2 靠近，偵測端子1會通過端子上的接觸區(qū)1，與偵測端子2上的接觸區(qū)2相互接觸。兩個端子之間的接觸方式跟常規(guī)的偵測端子接觸方式不一樣的，是通過偵測端子1上的接觸區(qū)向下推動偵測端子2，從而使兩個偵測端子形成接觸。這樣的設(shè)計，偵測端子的接觸方向與卡的插拔方向垂直。這種設(shè)計存在的缺點有兩個方面，一是偵測端子1在存儲卡插拔過程中，所受的變形量很大，所以說對偵測端子1的材料選擇要求也相當(dāng)高，如果材料選擇不足以承受大變形量，端子會產(chǎn)生塑性變形，材料選擇太好，則會增加產(chǎn)品的成本。另外一個方面的缺點則是由于兩個偵測端子的接觸方式導(dǎo)致的，這樣的接觸方式，對于兩個端子之間的接觸力有要求，接觸力不能太高，否則兩個端子在退卡的過程中不能分離。同時，也要求偵測端子1的接觸區(qū)表面要非常光滑，這也增加了沖壓加工的難度。在實際應(yīng)用中，兩個偵測端子卡死的現(xiàn)象是存在的。

圖9

4.2.3 類型3微型SD卡連接器偵測端子設(shè)計說明

如圖10所示，存儲卡插入連接器中，存儲卡推動偵測端子1向偵測端子2 靠近直至兩個偵測端子相互接觸。與類型2的偵測端子設(shè)計類似，區(qū)別在于偵測端子的1和2的接觸方式不同。其設(shè)計上的缺點，除了類型2的偵測端子的1和2有時會出現(xiàn)卡住的異常外，兩種設(shè)計的其他缺點都是相同的。

圖10 類型3微型SD卡連接器偵測端子

4.2.4 類型4微型SD卡連接器偵測端子設(shè)計說明

如圖11所示，偵測端子的設(shè)計是利用連接器上VSS端子作為偵測端子1，在VSS端子的前下方放置偵測端子2。 當(dāng)存儲卡插入連接器中，卡的VSS接觸區(qū)的金手指會先跟VSS端子接觸，在VSS端子變形的過程中，VSS端子頭部會與偵測端子2接觸，從而使連接器的偵測功能得以實現(xiàn)。這種設(shè)計，偵測端子2與VSS端子頭部的間隙要控制的很好，否則會發(fā)生偵測端子2與VSS端子頭部接觸不到，或者即使接觸上了，兩個端子間的接觸力很小，從而導(dǎo)致偵測失效的異常。從成本角度來講，此設(shè)計的成本是有優(yōu)勢的。

圖11 類型4微型SD卡連接器偵測端子

4.2.5 類型5微型SD卡連接器偵測端子設(shè)計說明

如圖12所示，偵測端子的設(shè)計是利用連接器上VSS或者VDD端子作為偵測端子1， 在VSS或者VDD端子對面放置偵測端子2。當(dāng)存儲卡插入連接器中，卡的VSS或者VDD接觸區(qū)會先跟信號端子VSS或者VDD接觸，然后再跟偵測端子2方案一或者偵測端子2方案二接觸，從而使得兩個偵測端子通過卡上的金屬層形成通路。這種偵測端子的方案設(shè)計，充分利用了存儲卡上接觸區(qū)金手指的長度，讓兩個偵測端子通過金手指導(dǎo)通，使其可靠性得到充分保證，同時產(chǎn)品的成本也會有很大的競爭力。

圖12 類型5微型SD卡連接器偵測端子

4.3 常見的偵測端子力學(xué)性能仿真

上一節(jié)對五種偵測端子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出各種偵測端子結(jié)構(gòu)上的優(yōu)缺點。本節(jié)是針對五種偵測端子，進(jìn)行對比力學(xué)仿真分析，主要目的在于了解每個偵測端子設(shè)計的力學(xué)性能，從而可以判斷其性能的可靠性。這也可以對各偵測端子有個全面的了解。

為了使仿真分析的結(jié)果具有可比較性，對五種偵測端子的仿真分析選用的材料是相同的。仿真分析選用的材料為C52100-H06，為連接器常用的磷青銅合金，材料的抗拉強(qiáng)度為700～755MPa，分析的時候取值728MPa，楊氏模量為106GPa。

從機(jī)械性能上來講，影響偵測端子工作可靠性的因素有偵測端子1和偵測端子2之間的接觸力，以及偵測端子在工作狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)。所以針對仿真分析的結(jié)果，我們重點討論偵測端子工作狀態(tài)下的接觸力和應(yīng)力。

仿真選用的軟件是Ansys workbench 15.0，仿真分析的過程包括，偵測端子模型簡化，F(xiàn)EA建模，分析以及結(jié)果導(dǎo)出分析。分析前，對偵測端子的模型進(jìn)行了簡化，以用于軟件進(jìn)行仿真分析，F(xiàn)EA簡化模型如圖13所示。

圖13 偵測端子FEA簡化模型

4.3.1 類型1微型SD卡連接器偵測端子力學(xué)性能仿真

如圖14，類型1偵測端子仿真結(jié)果所示，在存儲卡處于工作狀態(tài)時，兩個偵測端子之間的接觸力很小，只有0.12N左右(0.26-0.14)，一般對于鍍金產(chǎn)品，接觸力一般都要求在0.3N以上，這么低的接觸力已經(jīng)很難保證存儲卡安全可靠的工作。而對應(yīng)的偵測端子工作時的應(yīng)力，處于低應(yīng)力區(qū)，這與端子之間的接觸力較低的結(jié)果是相互吻合的。

圖14 類型1偵測端子仿真結(jié)果

4.3.2 類型2微型SD卡連接器偵測端子力學(xué)性能仿真

如圖15，類型2偵測端子仿真結(jié)果所示，在存儲卡處于工作狀態(tài)時，偵測端子之間的接觸力為0.34N，屬于合理范圍，可以保證偵測功能的實現(xiàn)。

而對與偵測端子1的接觸力，是其與存儲卡在工作狀態(tài)下的接觸力，其大小對偵測功能沒有影響。對于偵測端子的應(yīng)力狀況，偵測端子1的應(yīng)力處于高應(yīng)力狀態(tài)，有塑性變形的風(fēng)險，偵測端子2的應(yīng)力狀況處于低應(yīng)力狀態(tài)。

圖15 類型2偵測端子仿真結(jié)果

4.3.3 類型3微型SD卡連接器偵測端子力學(xué)性能仿真

如圖16，類型3偵測端子仿真結(jié)果所示，此設(shè)計與類型2有點相似，不同之處在于偵測端子之間的接觸方式不同。對于此設(shè)計，在存儲卡處于工作狀態(tài)時，兩個偵測端之間的接觸力為0.28N(0.34-0.06)，稍小于安全值，可以優(yōu)化。而對于高中狀態(tài)下的應(yīng)力，兩個偵測端子的變形量都較大，使得偵測端子在工作狀態(tài)時處于高應(yīng)力區(qū)，端子易產(chǎn)生塑性變形，從而會影響偵測端子的偵測功能。

圖16 類型3偵測端子仿真結(jié)果

4.3.4 類型4微型SD卡連接器偵測端子力學(xué)性能仿真

如圖17，類型4偵測端子仿真結(jié)果所示，在存儲卡處于工作狀態(tài)時，偵測端子之間的接觸力為4.6N(5.1-0.5)，接觸力太大，導(dǎo)致這種狀況的原因在于，偵測端子2的懸臂梁長度較短。而對于應(yīng)力狀況，很明顯，偵測端子2在工作狀態(tài)時，處于很高的應(yīng)力狀態(tài)，在這種狀況下，偵測端子2的塑性變形是不可避免的。可見，此設(shè)計不能保證產(chǎn)品的偵測功能。

圖17 類型4偵測端子仿真結(jié)果

4.3.5 類型5微型SD卡連接器偵測端子力學(xué)性能仿真

如圖18，類型5偵測端子仿真結(jié)果所示，在存儲卡處于工作狀態(tài)時，兩個偵測端子與存儲卡金手指之間的接觸力都在0.4N左右，屬于合理范圍。且在工作狀態(tài)下，接觸端子的應(yīng)力均處于合理的應(yīng)力范圍。此設(shè)計是在充分理解偵測端子的工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合微型SD卡連接器的特點，得出的一個設(shè)計方案，在保證連接器功能的前提條件下，使得連接器的設(shè)計更加安全可靠，從結(jié)構(gòu)方面來講，這個偵測端子的設(shè)計無疑是最可靠的一種設(shè)計。針對此設(shè)計，在產(chǎn)品設(shè)計完稿后，申請專利，專利號為：ZL 200520046792.2。

圖18 類型5偵測端子仿真結(jié)果

5 結(jié)語

連接器的設(shè)計涉及很多方面，有單個零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有零件的配合設(shè)計，還有產(chǎn)品的某些功能方面的設(shè)計。每一個環(huán)節(jié)的設(shè)計都對連接器的可靠性有決定性作用，本文對偵測端子的分析，就說明了每一個設(shè)計環(huán)節(jié)的重要性。從對偵測端子的優(yōu)缺點分析過程來看，我們可以得到這樣的啟發(fā)，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的時候，需要對產(chǎn)品的功能有充分的分析，明確功能實現(xiàn)的原理，同時需要對市場現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行充分的分析，這樣才能得到一個穩(wěn)定可靠的設(shè)計。