1 引言
在新产品研制开发过程中，电子元件设计人员在满足某一确定应用领域的设计要求时始终面临着产品设计的方案优化问题,即在满足设计要求的同时可以达到优化生产成本和产品性能之双重目标。此外，这些要求还必须兼顾缩短设计和制模的产品开发周期方面的考虑。当服务器产品市场中的大型制造商要求互连器件进行跨国生产时，制造商在设计、制模用于高端服务器应用领域的LGA插座，要求具有高性能电磁干扰的( EMI)屏蔽接触件将面临考验;同时，供应商也面临着同样的挑战。
用于LGA插座的(EMI)屏蔽接触件可以为插座组合元件的顶端和底部配合表面之间提供电气接地通道。由于所有的三维空间较为有限，相邻屏蔽接触件悬臂梁之间的距离较小，见图1所示。其结构设计就要求在达到最大的悬臂梁挠曲变形条件下获得最小的永久性变形,从而形成一种微型结构设计,获得较好的抗电磁干扰性能,将屏蔽接触件锁紧在框架上,并产生适当的保持力,以便于安装与拆卸, 使得元件的制造具有良好的成本-效益比。
图1 LGA屏蔽接触件的一部分(两个相邻悬臂梁的临近区域)
对于许多连接器设计者来说,这些挑战是经常需要面对的。连接器的小型化意味着接触件应占用更小的空间,这样就可以在一些新的设计上附加所需要的技术特性。较小的接触件不可能像大的接触件那样在给定的挠曲条件下产生那么大的正压力。为了产生必需的接触力，接触件就必须承受较高的应力作用。这样，连接器接触件就需要采用强度较高的合金材料。
减小连接器的接触间距，提高电子器件的频率就可以通过相邻接触件之间的无源电容和电感来满足其电磁兼容性要求,即通过缩短悬臂梁的长度来解决这一问题。这也是导致接触件应力较高的主要因素。此外，外形尺寸较小、悬臂梁长度较短以及所占用的空间较小都要求接触材料必须具有较好的可成型性。
一些用于特殊应用领域的连接器除了要求具有较高的应力之外，还要求能够承受较高的温度。汽车和电子设备的发展趋势是要求将越来越多的功能特性集成在一起,这就要求逐渐加大其功率。综合的电阻热(焦耳)导致功率接触件内部的温度大大上升,也因此加大了邻近连接器周围的环境温度。这就要求采用电导率较高的接触材料,以此降低连接器的温升幅度，使之具有更高的耐应力松弛特性,在长期的使用过程中保持其性能的可靠性。
所有这些因素自然而然会使设计工程师们选择那些可以满足这些技术要求的高性能材料，如铍/铜合金。与此同时,降低设计成本和开发新型连接器的压力也随之加大。过于坚固的结构设计虽然可以保证产品不会出现失效问题, 但是，如果那些价格更低具有竞争力的其它同类产品能够满足客户的所有性能要求的话，那么，性能和成本双高的产品在市场上就不会具有什么吸引力。这又很自然地使设计工程师们在安全系数接近1.0 的条件下选择一些成本较低、性能较低的合金材料。
由此可见，如果不加快产品开发的速度，使之保持较高的竞争力，那么，要在可靠性和降低成本之间保持一定的协调平衡就相当困难。由于产品的设计周期较短，设计人员没有时间去研制并测试一系列产品设计原型，以进一步完善设计。从理论上来说，产品的设计原型可以在第一时间向工程师们展示所设计的元件的性能情况。为此，我们可以通过有限元分析(FEA)方法的预测功能来完成这一任务。
2 有限元分析
所谓有限元分析就是采用电子模型软件来模拟产品设计的性能。有限元分析(FEA) 软件可以将任何复杂的元部件进一步细分为一个较小的、常见形状的在所谓的节点处连接起来的一些单元。一些负荷诸如压力、位移、电压等施加于适当的节点上。在适当的位置还应施加边界条件如约束点、表面热传输系数和接触表面，并规定材料的特性，然后用软件来确定该元件对预定的负载的反作用。
有限元分析方法在连接器设计中有许多潜在的应用领域。大多数软件包可以根据选项包进行定制，而且，其成本较低。这样，只有用户才可以完成这些分析。这对于他们的设计是十分有意义的。我们可以利用结构(应力)分析来绘制接触件设计的作用力和挠曲曲线,也可以利用非线性应力分析方法在不同元件之间建立一种模型。此外，还可以确定在应力超过材料的屈服强度时所发生的永久性变形。
动态分析方法包括对冲击反应的预测，根据分析结果建立相应的模型以确定元件的固有频率。如果一个连接器在接近接触件的固有频率范围内的某一频率下进行超声波焊接,造成早期疲劳失效的话，这一步骤就显得非常重要。同样, 采用疲劳分析也可以预测某一给定的负荷条件下原型试样的使用寿命。
此外，可以用电性能分析为载流接触件的焦耳发热现象建立一个模型，热分析可以确定其瞬态温度和稳态温度的总体分布。采用更为先进的软件包还可以进一步建立应力-松弛模型, 这样当接触力降低到某一标准条件以下时，使用者可以进行相应的预测。
有限元分析可以大大缩短产品的开发周期，不过，研制与测试产品原型仍然是必不可少的关键步骤。有限元模型的准确性一般取决于模型的几何外形、负荷、边界条件以及反映实际情况的其它假定条件。产品的实际性能可能与模型的性能存在很大的差异。
产生这种差异可能来自元件的外形尺寸、类别和柔性/刚性边界条件，意想不到的接触点以及摩擦系数、材料特性、残余应力和尺寸公差不当等。设计工程师借助于以往的经验可以基本上预测到这些潜在的问题，并可以用这些设计原型来验证设计模型。
本文研究的电连接器温度场的三维有限元热电耦合仿真模型，可以用如下方程组来描述[1]:
式中，[q]为热流密度矢量;[K]为热导率矩阵;T为温度;[J]为电流密度矢量;[σ]为 电 导 率 矩阵;[E] 为电压矢量;Q为总热量;ρ为密度;C为定体积比热容;t为时间。
方程式(1)为热场方程，式(2)为电场方程，式(3)等式右边第2项为电场焦耳热，第3项为瞬态热场项。ρC（aT/at）中，T是t的函数，即为瞬态温度场问题。
3 合金的选择
为了满足EMI屏蔽接触件的特殊要求，我们采用内部有限元分析手段对一些材料和悬臂梁设计进行分析。产品设计面临的主要挑战之一就是在达到最大的悬臂梁挠曲条件下形成最小的永久“变形”。为了满足这一需求，设计人员考虑采用一些铜/铍合金材料。其中一个选项是具有时效硬化特性的铜/铍合金 25 ½ ( C17200 TH02), 根据国际退火铜标准(IACS)[2]，其电导率至少达到25% IACS, 热处理后的屈服强度在160 ~ 195 ksi范围内;另一个选项是轧制硬化合金 190 HM( C17200 TM04), 其电导率至少为17% IACS, 热处理后的屈服强度在110 ~ 135 ksi范围内;第三个选项是轧制硬化合金174 HM(C17410 TM04), 其电导率至少为50% IACS, 热处理后的屈服强度在100 ~ 120 ksi范围内。
合金制造商可以为设计人员提供较为详细的应力-应变变化曲线，以便于在进行内部有限元分析(FEA)时利用这些曲线,以确定接触件的最佳合金材料。同样，设计人员也可以为合金材料的制造商提供CAD立体模型，这样，他们可以共同进行分析。这些分析结果提供合金190、25 和17410 材料的图形输出数据以及随着压力-应力弯曲而发生的位移曲线。将这些结果进行比较就可以验证所建立的模型和假定。
在图形输出数据方面，可以将未发生变形的接触悬臂梁与发生最大弯曲的悬臂梁进行比较，参见图2所示。接触悬臂梁合金25 ½ HT最大弯曲条件下的Von Mises应力图形显示，应力沿着悬臂梁的纵向均匀分配。这说明接触件的设计较为理想。
图2. Von Mises应力变化曲线图
附注：表示采用合金25 ½ HT的接触悬臂梁在未发生变形的条件下(灰色部分)和发生完全弯曲条件下的对比情况。高应力区域用红色表示，而零应力区域则以蓝色表示。下面的红色方块是用来使该模型弯曲的接触表面。
在完成一个周期的最大挠曲和随后发生的应力释放一个周期完成之后, 合金25 ½ HT悬臂梁出现最小的应变(参见图3)。最大永久性变形预计小于 0.017 毫米,小于标准挠曲的1%。这完全符合降低永久性变形的要求。
图3. 接触件模型永久性变形曲线图
注：25½ HT在发生完全弯曲之后其永久性变形最小。下面的黑色方块是用来使该模型弯曲的接触表面。
将作用力与挠曲变形进行比较，再将最大Von Mises应力[3]与合金25 ½ HT的挠曲进行比较,则压力-挠曲卸载线几乎回归到原点, 这就进一步说明了其永久性变形降至最低，见图4所示。最大应力在达到最大挠曲之前不超过其屈服强度,这样在卸载时就会产生一定量的残余应力。尽管如此，没有这种永久性变形则屈服区域和残余应力就会限定于悬臂梁上某一很小部位。
图4. 合金25 ½ HT作用力与挠曲变形示意图
注：Mises应力与合金25 ½ HT的接触力挠曲对比显示，残余应力限定于悬臂梁上一个极小部位。
4 结论
利用有限元分析(FEA)可以有效地降低材料成本和减少工模具设计变更，大大缩短新产品的开发周期;并能选择出适宜的合金材料，以验证产品的设计原型。
参考文献:
[1] 胡方，杨文英，刘俊等，基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法[J]，低压电器,2010.11.
[2] Robert J.James et al., “A low cost high performance optical interconnect,” Connector Specifier: 1778-1928, 2009.
[3] IEC 60603-7-1:2009, Connectors for electronic equipment – Part 7: Detail specification for 8-way shielded, free and fixed connectors.
作者简介
闻春国，男，译审，中国翻译协会专家会员，从事翻译与情报工作30多年，出版有多部译著。
