LGA接触件结构设计及优化

李翰文，郑学飞，鲍小会，程利娟

（中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471003）

1 前言

随着电子信息技术的飞速发展以及军用装备上的应用需求，电连接器正朝着高密度、微型化、模块化等方向发展［1］，常规的印制电路连接器已难以满足现有的使用要求，在对连接器外形尺寸有要求的应用领域，低矮型、高密度连接器的应用已成为一种趋势［2］。LGA连接器通过接触件直接与连接端压合的接触形式，省去了对插端的高度，同时其接触件以平面阵列形式布置，可以达到很高的接点密度，因而成为了低矮型、高密度连接器的理想选择，如图1所示。但LGA接触件特殊的结构特点导致其容易发生屈服、疲劳等失效的缺点，造成了该类连接器机械寿命差、可靠性低的问题。针对LGA接触件的结构优化方法，目前研究仍然较少。本文通过仿真分析手段，对某型连接器的LGA接触件结构参数进行优选设计，提出了对应的改善措施，并通过机械寿命实验对产品进行了验证。

图1 LGA连接器

2 接触件式接触件的力学仿真

2.1 LGA接触件结构分析

电连接器的可靠性与其结构设计是否合理、完善直接相关，同样作为电连接器的关键元件，接触件的结构设计也非常重要。应将能否达到预期的性能要求、质量以及可靠性作为接触件结构设计的重点［3］。本LGA接触件结构可分为弹臂、固定端两部分，如图2所示。固定端具有较大的宽度以保证与连接器基体之间足够的贴合面。弹臂部分接触件宽度逐渐减少并呈弧状翘起，在末端弯曲向下形成圆弧形触点。

图2 某LGA接触件结构示意图

连接器处于工作状态时，LGA接触件被压紧，依靠形变产生的弹性力保持可靠连接，在连接器的整个生命周期中，LGA接触件会长期处于压紧、释放的交变应力中。由于本产品接触件厚度薄，挠度大，出现大量屈服甚至断裂的风险较大。因此，通过对接触件结构参数进行优选，保证接触件处于极限压缩位置时塑性形变都在可接受的范围内就成了保证产品可靠性的关键。LGA接触件受压变形时，接触件弹臂在接触压力的作用下产生弹性变形，其弹性变形的模型可简化为悬臂梁进行分析［4］。如图3所示。

图3 悬臂梁模型示意图

根据悬臂梁计算公式：

其中：E为LGA接触件材料的弹性模量；I为插LGA接触件截面对形心的惯性矩，插孔截面为矩形，I＝1／12×bh3；b为插孔扰变方向材料横截面的宽度；h为插孔扰变方向材料横截面的厚度；Δf为LGA受压后的挠变量；L为LGA接触件长度。

由公式可见，影响接触件应力分布的关键参数是接触件长度、接触件料厚及挠度。为满足既定的产品指标及功能，这三项参数已被限制在特定范围内，其余可能影响接触件应力应变的主要为与接触件具体形状有关的弹臂倾角α、根部半径R两项，如图4所示。因此在仿真设计中，针对这两项参数进行了进一步分析。

图4 LGA接触件参数

2.2 接触件的三维建模

某型LGA连接器由LGA接触件、基体等部件组成，其接触件数量上百个，为加快仿真过程，快速求解，选定同类型中的一个结构为研究对象，仿真模型进如图5所示。

图5 仿真模型

方案中接触件选用材料为铍青铜，基体材料为紫铜，其具体材料参数如下：

表1 仿真所用的材料参数

根据应用中的情况，建立仿真模型时，添加一个压板结构，将其设为刚体，使用参考点RP耦合板的一面，在LGA压缩回弹过程中，给参考点RP一定的位移即可。设定LGA根部与导体捆绑接触，导体与焊锡球捆绑接触，板与触点接触的一面设定摩擦接触，如图6a。边界条件设定导体与LGA的根部固定，建立仿真模型的边界条件如图6b所示。另外，该模型分析步设为2个，即压缩分析、回弹分析。LGA按照六面体单元网格进行划分，导体设置四面体单元网格进行划分，焊锡球设置混合单元网格进行划分，压板设置六面体单元网格进行划分，如图6c。

图6 LGA结构压缩回弹分析的模型设置

2.3 接触件力学仿真结果

2.3.1 接触件倾斜角度变化对应力和塑性变形的影响规律

圆弧半径R为0.4mm，倾斜角度α分别设置为133°、135°、137°和139°，其应力云图、压缩过程中正压力值、压缩过程中挠变量及撤去压力后形变量等参数的仿真结果如图7～9所示。

图7 不同α值对应压缩到位时的应力云图

根据以上仿真结果分析可知，圆弧半径不变时，随着倾斜角度的增加，正压力逐渐减小，压缩后接触件的塑性变形逐渐减小。故当圆弧半径不变时，增加倾斜角度可以减小结构正压力和塑性变形。因最大应力值可能受集中应力的影响，故最大应力值随着倾斜角度的变化没有明显变化规律。

图8 撤去压力后不同α值对应的变形量

图9

表2 接触件倾斜角度变化对正压力和塑性变形的影响

2.3.2 接触件圆弧半径变化对应力和塑性变形的影响规律

第一组：倾斜角度为137°，圆弧半径R分别设置为0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm和0.5mm，其应力云图、压缩过程中正压力值、压缩过程中挠变量及撤去压力后形变量等参数的仿真结果如图10～12所示。

图10 不同R值对应压缩到位时的应力云图

图11 去压力后不同R值对应的变形量

图12

表3 接触件圆弧半径变化对正压力和塑性变形的影响

根据以上仿真结果分析可知，倾斜角度不变时，随着圆弧半径的增加，正压力逐渐减小，压缩后接触件的塑性变形逐渐减小。故当倾斜角度不变时，增加圆弧半径可以减小结构的正压力和塑性变形。因最大应力值可能受集中应力的影响，故最大应力值随着倾斜角度的变化没有明显变化规律。

综合仿真结果，接触件弹臂倾角及根部圆弧半径越大，接触件回弹后高度越高，说明接触件塑性形变发生的程度越低，因此在结构设计上应尽可能增加弹臂倾角和根部圆弧半径。

3 机械寿命测试分析

按α139°、R0.5mm的参数试制LGA接触件，并采用机械寿命试验的方式针对其进行测试，试验工装如下图13所示。

图13 机械寿命试验测试工装图

试验选用的LGA接触件料带有10行×20列合计200个接触件。使用插拔力试验机其进行压合，频率约为每小时400～600次。借助三坐标测量仪，选择接触件阵列中第1、4、6、8、10排的第1、5、10、15、20个共计25个接触件，分别测量记录完成1次、20次、75次及200次压合后它们的弹高进行对比。200次压合完成后，旋紧螺母将印制板压紧，保证接触件处于极限压合位置，如图25所示，保持24h后再次测量弹高进行对比。试验结果如下表所示。

图14 接触件阵列弹高变化

由表4中数据可见，第一，试验结束后后，所有接触件弹高减少都在4%以内，最大弹高减少在0.02mm左右，属于产品可以接受的范围。第二，弹高的降低主要发生在第一次压合后，其后随着压合次数的增加，弹高降低的不再明显。这说明第一次压合过程中接触件发生了轻微塑性变形后发生了冷作硬化，其弹性阶段得到了提高，短时间内以相同幅度再重复压合，其行程就包含在新的弹性变形阶段内。因此，塑性变形不再明显增加。

表4 模拟机械寿命试验中平均弹高变化

由表5、表6中数据可见，持续压合24h后接触件也无明显塑性变形。综合来看，在接触件的机械寿命试验中，没有出现接触件大量压溃甚至断裂的现象，接触件残余形变和蠕变导致的弹高降低都在可接受范围之内，这说明接触件的结构设计可以满足既定的使用要求。试验中发现实际的弹高降低值略小于仿真结果，偏差小于15%，证明仿真精度较为可信。偏差原因是仿真模型中，设置的约束为理想约束，除接触件外其余部分为刚体，而实际压缩过程中压板以及接触件与绝缘体的结合位置也会发生一定程度的弹性变形，因此形变不会类似仿真过程那样集中在接触件上。

表5 接触件阵列各排平均弹高变化

表6 接触件阵列各列平均弹高变化

4 总结

本文通过仿真测试的方式，并结合理论计算与经验公式分析，研究LGA接触件的力学结构强度。通过仿真分析可以得出，LGA接触件的应力应变与弹臂倾角、根部弧度半径有关。圆弧半径不变时，随着倾斜角度的增加，正压力逐渐减小，压缩后接触件的塑性变形逐渐减小；倾斜角度不变时，随着圆弧半径的增加，正压力逐渐减小，压缩后接触件的塑性变形逐渐减小。

根据这一发现对接触件设计进行指导，并采用机械寿命试验的形式对接触件料带实物进行了测试。测量对比了压合1次、20次、75次、200次及压合24h后的接触件弹高。测试结果表明接触件塑性形变在可接受范围内，接触件结构设计满足力学性能要求。