连接器耐久性与铜及铜合金带组织相关性研究

张 鑫

（1.安费诺商用电子产品（成都）有限公司，四川 成都 611731；2.陶朗分选技术（厦门）有限公司，福建 厦门 361006）

耐久性是连接器可靠性的一个重要参数。对于如何测试连接器的耐久性，国内外都制定了相应的标准，如国外的EIA-364-09C［1］和国内GB/T5095—1997（等效于IEC 512—1993）［2］。由于耐久性测试属于破坏性试验，需要较多的时间和成本，电子元件厂或成品厂在产品的型式试验、验证阶段使用该测试方法。为了保证连接器的耐久性，连接器行业设计者多采用最大应力方法或名义应力法设计连接器的结构。即通过有限元等设计方法保证在使用过程中的最大应力或名义应力小于材料的屈服强度，并根据应力-寿命曲线（S-N曲线）计算连接器的耐久性［3-8］。虽然最大应力方法或名义应力法在理论上解决了连接器的耐久性的计算问题，但在实际连接器的使用中，却常常出现连接器的耐久性与理论数据不一致的现象，给使用者带来了不必要的损失。如何解决这个品质隐患，是连接器制造厂商及使用者需要共同面对的问题。

国内外学者从连接器设计选材参数、正向力或插拔力、电镀材料、表面粗糙度、润滑条件等方面出发，对提高连接器耐久性做了大量研究。铜及铜合金带是连接器最重要的基础材料之一，但对铜及铜合金带的本身性能与连接器的耐久性相关性研究较少。

1 连接器端子结构

连接器的端子一般具有需求量大、超薄、形状复杂、精度高等特点，通常采用连续模料带的形式在高速精密冲床上冲压制成。端子一般由头部弯曲结构和细长悬臂结构组成［9］，如图1所示。

为了提高生产效率和节省成本，经过高速冲压和电镀后，在连接器装配工序，生产者才将端子从料带上裁切下来进行组装。

图1 连接器端子图

2 铜及铜合金带组织及特性

经过多年的铜合金带制造的发展，连接器用铜及铜合金带主要制造方法可以简述为：半连续铸造或连续铸造、铣毛坯面、多次轧制（包括多次热处理）、精整、表面处理等生产工序［10］。由于铜及铜合金带的轧制加工过程是沿着轧制方向的单向轧制，随着轧制变形程度的增大，铜及铜合金带的晶体逐渐形成轧制织构。再加上轧制后热处理的不同和热处理前轧制变形程度的不同，铜及铜合金带的晶体会出现不同的再结晶织构。

织构会给铜及铜合金带不同方向的物理及力学性能带来不一致现象，即各向异性。如在国内外研究和实践证明，铜及铜合金带材纵向弯曲方向（Good Way）和横向弯曲方向（Bad Way）的弯曲性能存在较大差异［11］，一般情况下，铜及铜合金带材纵向性能好于横向性能。铜及铜合金带的横向弯曲方向（Bad Way）和纵向弯曲方向（Good Way）定义见图2［11］。

图2 铜及铜合金带的横向、纵向弯曲方向定义图

在国内标准YS/T 1041—2015《汽车端子连接器用铜及铜合金带》［12］和GB/T 26007—2010《弹性元件和接插件用铜带》［13］，及其美国ASTM B888/888M-13 《电连接器或弹簧触点生产用铜合金带材的标准规范》［14］都明确定义了铜及铜合金带材的纵向、横向弯曲参数的不同。

铜及铜合金带在弯曲变形时，外侧表面发生类似拉伸试验的变形。弯曲过程中外侧表面层拉伸不断增加，逐渐产生弹性变形、塑性变形直至开裂。铜及铜合金带材的纵向弯曲性能优于横向弯曲性能，也表明铜及铜合金带材的纵向抗拉强度或屈服强度优于横向方向，并得到大量的试验证明［15］。

3 相关性研究

3.1 横向方向的屈服强度

由于国家标准GB/T 26007—2010和YS/T 1041—2015等规定的铜及铜合金带的抗拉强度、屈服强度都是纵向方向的参数。连接器设计者在设计连接器寿命时，都以纵向方向的参数为依据。由于成本等压力，连接器的端子普遍采用点镀金等贵金属的电镀方式，连接器端子大多数分布在横向方向（图1）。即在连接器耐久性的设计参数与实际参数存在不一致现象。而冲压工厂或连接器工厂收到的铜及铜合金带时，已经不易测试出横向方向的具体强度。多数工厂使用维氏硬度来复核来料的强度性能，这种方法存在较大误差，也不能区别纵向和横向参数差异。这是部分连接器实际机械寿命小于设计寿命的原因之一。

在铜带分条前，铜带工厂可以较方便地测试出铜及铜合金带的横向方向的抗拉强度、屈服强度、延伸率等参数。为了保证连接器的耐久性，连接器工厂需要铜带厂提供铜及铜合金带的纵向和横向机械强度参数。

3.2 弯曲性能R/T值

铜及铜合金带的弯曲性能R/T值直接影响连接器端子的成型能力。在美国标准ASTM B820《测定铜及铜合金带材可成形性的弯曲试验的试验方法》［16］和国内YS/T 1041—2015《汽车端子连接器用铜及铜合金带》都要求纵向弯曲和横向弯曲方向取样测试。只是美国标准要求采用了弯曲试验后使用30X放大仪器观察，试样弯曲外表面无可见裂纹的判定方法。而国内标准要求使用肉眼观察试样弯曲外表面无可见裂纹。

理论上分析，按照国内标准检验的铜及铜合金带的弯曲性能比依照美国标准检验的铜及铜合金带差。由此材料制造的连接器耐久性也比依照美国标准检验的铜及铜合金基材的连接器差。为了提高连接器的耐久性，连接器工厂及铜带制造厂应使用更严格的标准检查铜及铜合金的弯曲性能R/T值。

3.3 晶粒大小与均匀性

现阶段，细化晶粒（包括晶粒均匀性）是铜带厂一种常用的提高铜及铜合金带力学性能的手段。随着超细晶和纳米晶粒的研究和实验，在一定范围内晶粒尺寸可以作为主导因素作用于铜及铜合金带的力学性能；在该范围外，作用铜及铜合金带的力学性能的主导因素将发生改变，霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式将不再有效，即出现反霍尔-佩奇现象［17］。在纳米晶粒研究中，晶粒尺寸分布也会很大程度上影响铜及铜合金带的力学性能，研究者发现双模晶粒分布的铜及铜合金材料具有很好的拉伸韧性，同时还保持原高于其他细晶粒材料的强度［18］。在铜及铜合金带的大批量工业生产中，适用霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式还占主导地位。国内的工业化铜及铜合金带的细晶粒尺寸控制在10μm左右，个别铜带可以控制细晶粒尺寸在5μm左右。德国、日本等国家使用累积叠轧（同步叠轧制）等技术，实现了超细晶粒铜带的工业化生产［19］，其高端工业化铜及铜合金带的细晶粒尺寸已经控制在1～5μm。在连接器实际使用过程中，晶粒尺寸小和均匀性好的铜及铜合金带具有更好的力学性能，由其制造的连接器的耐久性也更好。

4 结论

1）由于铜及铜合金带制造的各向异性，轧制方向（纵向）的屈服强度好于垂直轧制方向（横向），连接器设计者在设计连接器时，应以垂直轧制方向的屈服强度为设计依据。

2）连接器用铜带制造厂应根据连接器端子的制造特点和连接器使用特点，在轧制方向（纵向）的机械性能基础上，提供并保证垂直轧制（横向）屈服强度。

3）在铜及铜合金带弯曲性能测试严苛性和适用性上，ASTM B820-14a高于我国现行标准。使用更严苛标准测试的铜及铜合金带的产品的耐久性和机械寿命也越高。

4）在霍尔-佩奇（Hall-Petch）公式适用的范围内，拥有更小的晶粒尺寸的铜及铜合金带可以增加连接器的耐久性。

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