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          汽車用無鉛焊接連接器端子的開發

              作者:宏拓新軟件
              發布日期:2023-11-06         
          閱讀:13     
           
           

          摘 要:本文介紹兩種用于汽車PCB組件的可塑性端子即針眼(EON)形可塑性端子和獨木舟形可塑性端子(CCT)設計式樣,并簡單地介紹這兩種連接器端子組件的優缺點。

          關鍵詞:無鉛;汽車;PCB;連接器;可塑性;EON端子;CCT端子

          1 引言

          電子組件的無鉛化趨勢是全球汽車連接器和元器件制造商需要考慮的首要問題。從電子設備中減少乃至于徹底消除鉛含量的動機主要起源于兩個方面考慮。首先是特定的立法,如歐洲議會為了減少汽車對周圍環境的不利影響而頒布了相關的環保指令2000/53/EC。歐洲議會規定,從2006年7月開始,所有汽車中禁止使用一切含鉛元器件;第二,汽車制造商無疑也意識到,消費者越來越考慮到環境因素已經成為其選擇汽車及其部件的重要因素。

          從錫-鉛焊料中除去鉛的成分可能會帶來相應的加工問題和產品的可靠性問題。這些問題是源于晶須生長和元件暴露在高溫錫和溫度很高的錫合金焊接而造成的損壞。不過,無鉛組件的挑戰并不是像人們原來想象的那么困難。許多元器件和連接器制造商正在轉變為電子接觸件-插針端子的供應商,將可塑性端子作為一種無鉛焊接、壓接的解決方案。實際上,無鉛焊接、壓接和可塑性端子技術在汽車以外的其它應用領域已經廣泛地應用了數十年,預計也將會在汽車領域迅速流行起來。

          2 可塑性端子基本原理

          截面具有可塑性的端子一般安裝在已經鉆好的孔或印刷電路 (PCB) 板電鍍通孔中。這個孔的內壁鍍有金屬層,從而使PCB各層和端子之間實現有效的電接觸,見圖1所示!翱伤苄越孛妗,顧名思義,其可塑性特性使得該端子元件在其可塑性范圍內能夠適應PCB中電鍍通孔(PTH)的尺寸和形狀或對其進行適應性調節。這種特性使之無須通過焊接即可保持其電連接和機械連接。這種可塑性可以使各個器件經受溫度變化和振動而不會影響連接器的接觸性能。

          針眼形可塑性端子(上端) 安裝在PCB板的電鍍通孔(PTH)中,從而提供一個非焊接連接(下端)

          圖1 針眼形可塑性端子(上端) 安裝在PCB板的電鍍通孔(PTH)中,從而提供一個非焊接連接(下端)

          目前,已經有許多截面具有可塑性的設計式樣成功地生產出來。其中有兩種截然不同的設計式樣特別有用:針眼 (EON) 形可塑性端子和獨木舟形可塑性端子(CCT),這兩種設計式樣各有其優缺點。

          2.1針眼形端子

          針眼(EON) 形可塑性端子是一種符合Defacto標準的設計式樣,并且一般是通過沖壓成形的。對于買方來說,這種接近商品形態的端子是非常具有優勢的。任何帶有進料裝置的高速精密沖床(由制造商提供)都可以沖制出這種端子產品。用于這種端子產品的工模具設計也早為人們熟知。另外,據筆者所知,該端子的設計沒有任何專利方面的限制。

          那么,為什么不在所有的應用領域中使用這種設計呢?雖然這種設計被廣泛接受,并且容易得到,但還必須考慮一些不利條件。首先,它與PCB的接觸面較小,僅為現有表面的40%左右。其次,EON端子采用對置的彈性梁,以保持其抵壓PTH內壁的力,見圖1所示。結果,壓力集中在一起,并具有單向性,通常沿著連接器端子的方向。一個方向的力積累增大可能會對PCB 板產生一定的張拉作用,見圖2所示。加之其表面積較小,這樣就會損壞脆性較大的PCB層。

          一排針眼形可塑性端子(上部) 沿著水平方向壓入一排PCB連接孔中(底部)

          圖2 一排針眼形可塑性端子(上部) 沿著水平方向壓入一排PCB連接孔中(底部)

          一般來說,EON端子是利用一個漸進模從扁平帶材或金屬帶沖切而成的。各個端子通常是用一個模具來形成插針尖部,再通過電鍍工藝裝進組件中,見圖3所示。當拆去載體時,這種端子的末端在最終裝配時仍然沒有電鍍。對于某些產品來說,這種沒有電鍍的末端又是一個不足之處。

          從銅帶上沖壓出來的針眼可塑性端子在沖壓過程中形成插針尖部并進行電鍍,并且在端子上留有一個助推肩狀物以便于裝配

          圖3 從銅帶上沖壓出來的針眼可塑性端子在沖壓過程中形成插針尖部并進行電鍍,并且在端子上留有一個助推肩狀物以便于裝配

          2.2獨木舟形可塑性端子

          獨木舟形可塑性端子(CCT)是由導線沖壓而成的,而不是從金屬帶切割而成的。制作這件產品所需要的技術知識要比金屬帶的切割更加專業一些。其設備也更為專業化;可以使用一些標準的高速沖壓設備,只是導線所要求的進喂系統不是標準的。正是由于這些原因,CCT一直無法實現商業化生產。不過,由于它能更有效地使用原材料——用導線制作端子其邊角余料只占5%,相比之下, 由金屬帶制作端子其邊角余料高達60%以上。因此,由導線制作端子時,其成本具有較強的競爭力。

          獨木舟形可塑性端子采用一種彎曲的葉片形簧片來產生相應的彈性力。因此,它可以提供某種非常重要的設計改進。接觸面積也因此大幅度增加,約為現有PTH的60%。另外,在PCB上施加的彈性力具有多向性,從而降低了PCB損壞和扭曲變形的可能性。

          讓導線成型端子通過電鍍工序并裝入組件的安裝方法一般是采用一條被稱為“子彈帶”的單獨帶狀材料來完成的。在電鍍過程中,位于子彈帶區內的端子所得到的鍍覆層較薄,而且,一些較小的接觸點往往會出現漏鍍現象。不過,子彈帶的放置是可變的,通過設計可以將端子安裝在一個次要的區域內。

          3 連接器組件

          由于針眼形(EON)可塑性截面設計式樣是從帶材中沖切而制成的,而獨木舟形端子(CCT) 是由導線沖壓而成的,其組件的截面受到了影響。完工連接器的制造要求端子帶材被分成各個導體,再被裝配成預成型塑料體或放置于一個模具中再模塑成相應的部件。在這一階段,CCT/ EON端子組件的主要考慮因素是載體的類型和位置以及如何將從組件中拆除。EON端子從針尖載體上分離出來要求采用一道沖切或彎曲/折斷的操作工序。這一操作工序可能會給組件帶來令人討厭的毛刺或碎屑。因此可以采用另一種方法,即將CCT元件放置于一條子彈帶的壓接槽內,再將它們沖壓出子彈帶中,而無須采用直接沖切或折斷材料的方法。一個經過適當設計精心制造的子彈帶可以讓連接器端子干凈利落地脫模,而不會留下毛刺或碎屑。

          將一個完工的可塑性連接器裝配到PCB上采取的是一種壓接工序。它要求元件要得到很好的支撐和校準。必須施加一定的機械力將CCT端子推進其PCB連接孔中。因為EON是從金屬帶沖切而成的,在該端子上添加一個助推肩狀物(Push shoulder)就可以方便于組裝。這就使得連接器被壓接到PCB上,即在連接器基體上施加一個壓力,而不是向端子本身施加壓力。在某些情況下,這一措施可以大大降低裝配工序的成本費用。

          相比之下,采用方形或圓形導線所制成的CCT元件一般沒有助推肩狀物。如果連接器采用預壓成型的制造方法,那么將該產品組裝到PCB上則需要在直接端子上施加一定的壓力。不過,如果連接器采用絕緣安裝板成型法,那么就可以在連接器基體上施加壓力將連接器裝配到PCB中。注意,預壓成型連接器需要采用一種專業化的裝配工具,以便支撐并直接在端子上施加壓力。

          富有創新精神的生產廠家正在源源不斷得把一些新產品帶入這一動態市場中來。最近開發的一個新產品是由導線制成的EON端子,它安裝在一個“子彈帶”上,見圖4所示。這件新產品將大大提高導線材料的使用率,增大子彈帶載體的電鍍覆蓋率,并且可以將廣為人們接受的EON集成在一件產品中。目前,大批量生產這種產品的工藝已經開發出來,而產品的性能等方面的測試正在進行中。

          獨木舟形截面可以在一條可分離式的子彈帶(左圖)中完成,而新型針眼形截面設計則由導線制造而成(右圖)

          圖4 獨木舟形截面可以在一條可分離式的子彈帶(左圖)中完成,而新型針眼形截面設計則由導線制造而成(右圖)

          和其它市場一樣,汽車元件制造商也面臨著一個從其產品中降低以至于徹底消除鉛含量的尖銳問題。對于一些解決方案來說,要么采用無鉛錫焊方法,要么采用一種可以避免高溫和焊錫的晶須生長風險的辦法。這種方法是一種采用適應技術的無焊接組裝方法。當元件制造商能夠采用非焊接方法來裝配其產品時,除了可消除有害物質(如鉛)外,它還具有其它許多優點。它不需要清除焊料殘存物,也無須擔心環境以及法律措施等方面的問題。此外,焊接過程的失效模式如短路、冷點和焊料飛濺現象再也不會出現。

          4 結論

          綜上所述,針眼形和獨木舟形壓接端子是從連接器和PCB組件中消除鉛的一種有效的方法。它們可以減少一些裝配步驟,因此簡化了零部件的裝配工序,同時也減少了人們在環境方面的擔憂,從而降低了一些相關成本,F有的設計樣式符合ANSI和IEC標準規范,也容易得到,而滿足用戶需要的創新產品目前正在積極開發之中。

           

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