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        LGA接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

        2022-08-31 00:30:00李翰文鄭學(xué)飛鮑小會(huì)程利娟
        機(jī)電元件 2022年4期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

        李翰文,鄭學(xué)飛,鮑小會(huì),程利娟

        (中航光電科技股份有限公司,河南洛陽(yáng),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(duì)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(shì)[2]。LGA連接器通過(guò)接觸件直接與連接端壓合的接觸形式,省去了對(duì)插端的高度,同時(shí)其接觸件以平面陣列形式布置,可以達(dá)到很高的接點(diǎn)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(diǎn)導(dǎo)致其容易發(fā)生屈服、疲勞等失效的缺點(diǎn),造成了該類(lèi)連接器機(jī)械壽命差、可靠性低的問(wèn)題。針對(duì)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(guò)仿真分析手段,對(duì)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(jì),提出了對(duì)應(yīng)的改善措施,并通過(guò)機(jī)械壽命實(shí)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)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(jì)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(jì)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(jì)的重點(diǎn)[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(diǎn)。

        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(shí),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(gè)生命周期中,LGA接觸件會(huì)長(zhǎng)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(xiǎn)較大。因此,通過(guò)對(duì)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(shí)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(shí),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(jiǎn)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(jì)算公式:

        其中:E為L(zhǎng)GA接觸件材料的彈性模量;I為插LGA接觸件截面對(duì)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L(zhǎng)GA受壓后的撓變量;L為L(zhǎng)GA接觸件長(zhǎng)度。

        由公式可見(jiàn),影響接觸件應(yīng)力分布的關(guān)鍵參數(shù)是接觸件長(zhǎng)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(xiàng)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(xiàng),如圖4所示。因此在仿真設(shè)計(jì)中,針對(duì)這兩項(xiàng)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(gè),為加快仿真過(guò)程,快速求解,選定同類(lèi)型中的一個(gè)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)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(shí),添加一個(gè)壓板結(jié)構(gòu),將其設(shè)為剛體,使用參考點(diǎn)RP耦合板的一面,在LGA壓縮回彈過(guò)程中,給參考點(diǎn)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(diǎn)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(gè),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(duì)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(guò)程中正壓力值、壓縮過(guò)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(duì)應(yīng)壓縮到位時(shí)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(shí),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(shí),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(méi)有明顯變化規(guī)律。

        圖8 撤去壓力后不同α值對(duì)應(yīng)的變形量

        圖9

        表2 接觸件傾斜角度變化對(duì)正壓力和塑性變形的影響

        2.3.2 接觸件圓弧半徑變化對(duì)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(guò)程中正壓力值、壓縮過(guò)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(duì)應(yīng)壓縮到位時(shí)的應(yīng)力云圖

        圖11 去壓力后不同R值對(duì)應(yīng)的變形量

        圖12

        表3 接觸件圓弧半徑變化對(duì)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(shí),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(shí),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(méi)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(shuō)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(jì)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(cè)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(yàn)的方式針對(duì)其進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)工裝如下圖13所示。

        圖13 機(jī)械壽命試驗(yàn)測(cè)試工裝圖

        試驗(yàn)選用的LGA接觸件料帶有10行×20列合計(jì)200個(gè)接觸件。使用插拔力試驗(yàn)機(jī)其進(jìn)行壓合,頻率約為每小時(shí)400~600次。借助三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x,選擇接觸件陣列中第1、4、6、8、10排的第1、5、10、15、20個(gè)共計(jì)25個(gè)接觸件,分別測(cè)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(duì)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(cè)量彈高進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)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(jiàn),第一,試驗(yàn)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(shuō)明第一次壓合過(guò)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(shí)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(yàn)中平均彈高變化

        由表5、表6中數(shù)據(jù)可見(jiàn),持續(xù)壓合24h后接觸件也無(wú)明顯塑性變形。綜合來(lái)看,在接觸件的機(jī)械壽命試驗(yàn)中,沒(méi)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(shuō)明接觸件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足既定的使用要求。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)實(shí)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(shí)際壓縮過(guò)程中壓板以及接觸件與絕緣體的結(jié)合位置也會(huì)發(fā)生一定程度的彈性變形,因此形變不會(huì)類(lèi)似仿真過(guò)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(guò)仿真測(cè)試的方式,并結(jié)合理論計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)公式分析,研究LGA接觸件的力學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通過(guò)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(shí),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(shí),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(duì)接觸件設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo),并采用機(jī)械壽命試驗(yàn)的形式對(duì)接觸件料帶實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)量對(duì)比了壓合1次、20次、75次、200次及壓合24h后的接觸件彈高。測(cè)試結(jié)果表明接觸件塑性形變?cè)诳山邮芊秶鷥?nèi),接觸件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足力學(xué)性能要求。

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