铜材品质对接触件性能影响研讨
1 简介
铜是制造触点的基本材料，是连接器的核心导电部件。 其质量是直接影响连接器接触件电接触可靠性的关键因素。 在所有的影响因素中，铜触点的质量是最根本、最基础的。 由于过去我国连接器产品主要以仿制为主，照搬国外产品标准和规范，缺乏电连接器接触件铜材料应用的基础研究，因此我国拥有自主知识产权，在面对进口材料方面可以有效替代进口材料。采用多种进口材料。 创新研究十分薄弱。 因此，国产铜材料制成的连接器往往“外观质量较差”。
随着国家供给侧结构性改革的深入，人们在充分认识到基础材料对于保证连接器产品质量重要性的同时，也越来越意识到选择国产铜触点替代进口的紧迫性。 也就是说，制约我国连接器发展的瓶颈之一必须从战略发展分析来考虑，那就是接触件铜材料的选择和来源。
需要解决国产接触件铜材料的选择和来源问题，实现高端电连接器接触件替代进口铜材料的目标。 首先要深入了解国产铜材与进口同类材料在尺寸精度、表面质量、金相组织、力学性能、物理性能、工艺性能和质量一致性等质量因素上的差距，深刻认识质量差距对铜材的影响。接触部位由于铜材料的质量差距。 性能影响。 坚持“问题导向、产需结合、协同创新、重点突破”的原则，瞄准高端应用领域连接器生产紧缺的接触铜材料，联合上下游单位产业链打造“触点用铜应用基础研究联盟” 只有加强触点用铜材料应用的基础研究，才能改变目前铜生产与实际应用脱节的现象，导致铜的研究和标准制定陷入困境。变得肤浅，铜材料的品质难以适应不同应用领域连接器触点差异化的工艺技术。 要求的当前状态。
2 触点用铜材料的应用现状
国家军用标准【电连接器触点通用规范】规定，最高工作温度为125℃的触点一般采用铜合金，没有规定材料类别。 虽然有些连接器通用规范规定插孔接触件应采用铍铜或磷青铜材质，但如果与详细规范不一致，则以详细规范为准[1]。
现行连接器标准仅规定了接触件工作直径、镀金层厚度、分离力和保持力等主要技术参数，但没有规定铜合金材料牌号、规格和状态。 我国连接器行业尚未经历正向设计阶段。 均为仿制品，接触部位的铜材质牌号、规格、状态均源自国外标准。
为了防止刚性销插拔时弯曲损坏，销常采用机械强度较高的黄铜（H62、HPb59-1等）制成。 为了保证弹性插孔插入时接触可靠，防止塑性变形和应力松弛，插孔常采用具有高弹性极限和疲劳极限的锡青铜（QSn4-3、QSn6.5-0.1等）和适当的弹性模量。 、铍青铜（QBe2等）或镍硅青铜（等）（表1）。 接触件的铜材料还要求具有良好的加工性能、均匀的内弹性、良好的耐腐蚀性、高导电性、高导热性和良好的可焊性。
表1 触点常用铜材料一览表
连接器的小型化使得用于接触的铜带和电线变得更薄。 目前国内铜材实际生产严重滞后于标准规定，往往是“有标准无产品”。 铜加工企业很难提供现行行业标准规定的各牌号的全部规格、状态和性能。 表2列出了国产接触件用铜材料与同类进口铜材料在尺寸、表面质量、机械性能、物理性能、工艺性能、金相组织和质量一致性等质量因素方面的主要差异。
表2 接触件国产铜材与进口铜材的主要差异
3 接触件铜材料应用研究成果介绍
在铜合金中添加锌、铝、锡、锰、镍等元素同时固溶强化提高强度，一般
降低电导率。 不同合金系列的铜合金在电导率-抗拉强度关系图中处于不同的位置（图1）。
近年来，为实现替代进口的目标，我国罗通、春雷、博威、思瑞、兴业盛泰、兴高达、锦江等骨干铜加工企业纷纷瞄准高强高强铜材航空、航天、通讯等高端应用领域紧缺产品。 导电、高精度接触铜材料，开展铍铜、钛铜、镍硅铜、镍钴硅铜、铬锆铜、铁等系列合金的铸造、轧制、热处理、精加工等技术研究铜和碲铜。 ，并取得多项研发和产业化成果（表3）。 部分铜合金带材和线材已能够替代进口产品，并成功应用于高端应用的连接器。
图1 铜合金抗拉强度-导电率关系
表3 近年来开发的几种触点铜材料的性能及应用
3.1高精度铍铜丝替代进口
铍铜是一种具有良好综合机械、物理和化学性能的合金。 经淬火、时效处理后，具有较高的强度、弹性、耐磨性、耐疲劳性和耐腐蚀性。 同时铍铜还具有较高的导电性、导热性、耐寒性和无磁性。 撞击时无火花，易于焊接和钎焊，在大气、淡水和海水中具有优良的耐腐蚀性。 鉴于铍铜比普通青铜和黄铜具有更高的强度水平和良好的综合性能，可以满足电连接器中弹性接触件设计和选型的一系列要求。 因此，它是制作线簧插孔、绞线插针等的理想选择。是高可靠性连接器中弹性触头的首选材料。 例如，0.635mm间距超微型矩形连接器绞线插针采用三股0.06mm铍铜线缠绕七股0.038mm铍铜线，缠绕的电缆束直径仅为0.2mm。 经280℃时效处理2小时后，显微硬度显着增加。 与未时效处理相比，硬度提高70%。 目前使用的1/4Y（1/4冷作硬化）状态0.038mm铍铜丝采用进口铍铜丝制成。
随着5G通信、无人机、机器人、人工智能等设备的应用发展，微型连接器的需求猛增。 因此，用于制作线簧插孔和扭线插针的高精度铍铜线的需求也迅速增加。 。 令人欣慰的是，为满足市场需求，苏州锦江铜业研发生产了直径≤0.03mm的高精度铍铜丝，填补了该领域的国内空白。 目前可替代同等质量的进口产品，应用于线簧插孔、扭线插针、羊毛纽扣、弹簧插针等高可靠性弹性接触件。
3.2 钛铜替代铍铜用于微接触
虽然用于制作高可靠弹性触点的铍铜无毒，不会污染环境，但铍铜在生产和冶炼过程中确实会污染环境。 在环保要求日益严格的今天，替代铍铜材料的开发一直是业界关注的话题。 陕西锐研发的CuTi3.5钛铜具有高强度、高弹性、导电率等机械物理性能可与铍铜媲美。 沉淀强化钛铜屈服强度≥17200铍铜，电导率为13%。 具有优良的抗高温应力松弛性能、高疲劳强度、高耐磨、耐腐蚀性能。 它可以替代铍铜用于微接触。 足够的接触力，适合制作手机按键等微接触零件。
3.3 改善镍、硅、铜的电镀性能
镍硅铜合金具有良好的强度、导电性、耐热性、耐高温应力松弛等性能，广泛应用于汽车和消费电子零部件。 由于汽车行业的耐腐蚀要求，接触部件的铜材料需要进行电镀保护。 典型的电镀结构是含锡电镀。 由于镍、硅、铜不含Sn，为了解决工业废料和电镀材料边角料的回收利用问题，博威合金开发了具有自主知识产权的仿合金（Sn0.7-1.1%、Ni0.8 -1.2%，P0.03-0.07%，Si0.07-0.25%，Zn≤0.5%，Cu余量）。 屈服强度≥，电导率47%，150℃1000h应力松弛保持率75%，软化温度460-470℃。 该合金保留了镍硅铜的高温应力松弛和抗软化性能，并具有良好的强度和导电性，提高了镍硅铜的电镀性能。 满足市场需求，具有广泛的原料来源和环保价值。
3.4 镍钴硅铜替代铍铜用于高端应用触点
镍钴硅铜合金是在原有镍硅铜合金的基础上，添加少量钴元素细化晶粒，使Ni-Si和Co-Si颗粒分布均匀，使其细化。 具有更好的综合性能，更高的屈服强度和导电率，以及优异的抗应力松弛性能，可以满足高端应用中弹性元件的要求。 兴业盛泰开发的XYK-32镍钴硅铜合金棒，线材屈服强度高，可替代铍铜应用于电子通讯设备、汽车连接器触头、弹簧等领域。
3.5高精度铬锆铜合金带材工业化生产工艺研究
铬锆铜是一种高导电率、中等强度的材料。 通过在铜中添加铬、锆熔炼和铸造合金化，然后进行热处理和冷加工，可以获得最佳的机械和物理性能。 其特点是具有高导电导热性、高硬度、良好的耐磨性和减磨性，以及良好的抗电腐蚀和高温抗氧化性能。
博威、瑟瑞、兴业盛泰、春蕾开发的铬锆铜带广泛应用于5G通信基站、大电流、新能源汽车连接器弹性插孔和引线框架。 特别是兴业盛泰开展了高导电、中强度铬锆铜合金带材关键技术的开发和产业化，满足了新一代高导电、耐热、抗弯性能优良的铬锆铜带材的迫切需求。集成电路引线框架。 生产研究。 在非真空大尺寸铸锭均匀化、成分均匀稳定、多次形变热处理及高精度加工技术等方面取得突破。
3.6 铁铜合金新材料应用基础研究
博威、洛通、春雷开发生产的Cu-Fe-P系列中强中导时效强化铜材料，屈服强度410-，导电率≥60%，Hv120-150，耐高温470℃软化3分钟。 不到原来的80%。 具有优良的加工性能、电镀性能和焊接性能。 它可以被冲压和蚀刻。 通过低应力形状控制，并获得IC和手机客户认证。 可部分替代进口产品。 主要应用于汽车连接器接点、引线框架、手机中板、LED等零部件。
3.7 碲铜新型材料应用基础研究
新能源汽车快速充电电流为200-600A，要求充电桩连接器插针接触材料为中等强度、灭弧型、导热系数高、热应力松弛良好。 博威、洛通、鑫高达开发生产的易切削碲铜（Te0.4-0.7、P0.004-0.012）具有优良的导电性、导热性、耐蚀性和抗电蚀性，同时还具有极其良好的切削加工性以及热加工和冷加工性能。 已成功应用于充电桩连接器插针接触件和新能源汽车及太阳能电站连接器接触件。
4 铜材料质量对接触性能的影响
合理的触头材料选择和设计结构是保证连接器电接触可靠性的重要前提。 不同环境下使用的连接器触头插配后的接触电阻由三部分组成：收缩电阻、膜层电阻和导体电阻。 铜材料的质量对构成接触电阻的这三个部分的电阻有影响（图2）。 除了正压之外，抗收缩性还取决于设计结构（尺寸精度）。 正压力、表面物理特性（细晶结构）和表面粗糙度都与铜材料的质量有关； 膜层的电阻取决于铜材料的耐腐蚀性和保护性。 电镀质量； 导体电阻取决于材料类型。 例如，标准规定了1mm镀金触点的接触电阻； 铜合金5mΩ，铁合金15mΩ。
4.1 厚度（直径）偏差
下面以带材冲压而成的方形插孔的板簧和线材制成的圆形插孔（图3）为例，说明厚度偏差对连接器针孔插入正接触压力的影响。 板簧可视为一根一端固定的县臂梁（图4）。 当从另一自由端施加压力F时，板簧产生位移f。 该模型可以通过以下公式计算：
式1：f=4F·l3/E·b·t3
式2：F=f·E·b·t3/4·l3
式中：f板簧弯曲位移、F接触正压力、l板簧长度、t板簧厚度、b板簧宽度、E弹性模量。
从公式中可以看出，在相同的压力下，板簧的位移与板簧的弹性模量和立方厚度成反比。 弹性模量增大，位移减小。 相反，在相同位移下，板簧所能承受的正接触压力与板簧的弹性模量和厚度的三次方成正比。 上式直接反映了千斤顶板簧在初次冲条或打线后的厚度偏差对接触正压的影响呈三次方关系。 当带材厚度较薄或线径较小时，较低的厚度（直径）偏差对于保证连接器板簧插座接触的稳定性具有更大的意义。
图3 圆形千斤顶（侧开槽）板簧
图4 板簧可以看作一端固定的县臂梁。
接触件铜材的铸造和结晶是影响厚度偏差的第一道工序。 结晶的均匀性决定了铜材料的质量水平。 铣削去除了柱状晶层和氧化层，可以消除大部分板坯厚度偏差和表面缺陷。 平面铣削是影响铜材厚度偏差的重要中间工序。 普通面铣可使铜材纵向厚度偏差<0.1mm，横向厚度偏差<0.02mm。 轧机精度、轧制力、轧辊刚性和运行稳定性是决定铜厚偏差的最终因素。 表4列出了采用我国某厂生产的0.15mm铜带制作的方形板簧插孔的正接触压力偏差，厚度偏差为0.016mm，达到27.47%； 而采用日本NGK 0.15mm铜带，厚度偏差为0.002mm，方形板簧插孔制作而成，厚度偏差为0.002mm。 板簧插孔触点的正压偏差仅为3.83%[2]。
表4 国产与进口铜带厚度偏差引起的板簧插孔接触正压力差异
正接触压力直接影响连接器插拔力和接触电阻。 稳定的正接触压力是连接器稳定可靠使用的基础。 厚度偏差越大，材料中的内应力就会不均匀，这是造成插孔应力松弛、接触正压力降低的主要原因。 在后续加工中不易消除和减少。 只会造成新的应力集中，降低连接器的性能和寿命。 它是影响连接器可靠性的重要因素。
尤其是对于更薄、更精细的5G通信连接器，改善铜带厚度偏差具有重要意义。 5G通信高频高速信号传输及相应的大功率终端设备连接器在高频、高导电、小型化、高可靠性的要求下对接触铜材料提出了更高的要求。 现代精密铜带生产制造过程中，除了熔炼和铸造外，厚度偏差控制更为重要。 厚度偏差程度是铜带一系列性能的基础。 它不仅直接影响拉伸强度、伸长率等力学性能，而且是保持均匀晶粒结构和优化表面质量的根本原因。 这也是连接器保持插拔力、保持力、抗疲劳性的原因。 强度是长期稳定可靠运行（使用寿命）的基础。
随着无人机、机器人、人工智能等电子设备的发展，高密度、小型化、高可靠的超小型连接器的应用越来越广泛，这对高弹线材如铍铜。 绞线插头插脚对内外环铍铜丝的尺寸和机械性能有非常严格的要求。 铍铜线尺寸的微小变化可能会导致引脚性能的较大变化。 外面是一根0.5mm的绞线销钉，绕有七股直径为0.13mm的铍铜丝。 铍铜丝的直径偏差为0.01mm，就会影响插针刚度26%。 苏州锦江铜业研发生产的高精度铍铜丝（Be1.8-2.0%、Ni+Co≥0.2%、Ni+Co+Fe≤0.6%、Ni+Co+Fe+Be+Cu≥99.5%） ，线径0.03-0.09mm，直径偏差-0.003mm，抗拉强度784-。 可有效替代进口线材，用于微型连接器线簧插孔、绞线插针等弹性接触件。
4.2 表面粗糙度
接触片的铜表面越粗糙，有效接触面积越小。 插拔针孔时，表面越粗糙，磨损越严重。 接触件多次插拔后，配合间隙增大，使正接触压力减小，针孔接触界面的接触电阻增大，导致连接器温升升高。 交流电或交变磁场导体的表面具有集肤效应。 表面粗糙度会影响接触件的表面电流和信号传输，降低连接器电接触的可靠性。
铜材料的粗糙表面会降低接触部位的耐腐蚀性能，使其无法与塑料层紧密贴合。 腐蚀性气体或液体会通过接触件表面的界面间隙或微观凹谷泄漏，影响接触件的密封性和电阻。 腐蚀性能。 铜材料表面粗糙，精细接触部位表面会出现较大的峰谷差，极易造成尖角、裂纹等应力集中，降低接触件的疲劳强度和使用寿命部分。 铜材表面粗糙，使得覆盖层较厚，增加了电镀成本。 特别是USB线端需要镀铑、钌等稀有贵金属。
4.3 微观结构
铜材料的显微组织对触点的机械性能、工艺性能和耐腐蚀性能有重大影响。 晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多，需要协调的各向异性越明显，使金属更能抵抗塑性变形，即强度和硬度越高。 相反，晶粒越粗，晶粒的各向异性越明显，重力集中在特定晶粒中所造成的破坏性就越大。 当晶粒细化后，单位体积的晶粒越多，外力作用下的变形就分散成更多的晶粒，应力越分散，变形越均匀，应力集中现象越不明显，产生更大的塑性在材料破裂之前。 变形时，晶界越多，晶界线越曲折、越长，材料的强度和塑性增加。 同时，金属断裂前消耗的功也较大，韧性也较好。 接触部位铜材晶粒细化，在保持高强度和韧性的同时，具有良好的冲压、弯曲、卷绕等工艺性能。
4.4 机械性能
接触部件选用铜材料时，80%的屈服强度必须大于接触部件的许用应力要求。 屈服强度比抗拉强度更重要。 高强度铜合金板带材一般要求屈服强度在20%以上，电导率在20%IACS左右。 主要用于信号连接部件，如VCM弹片、耳机弹片、SIM卡连接器等。某厂家智能手机的厚度在五年内变薄了20%以上。 因此，手机内部组装的大部分板对板连接器也变得扁平化和细间距化，手机内的所有其他连接器也要求小型化。 原有黄铜和锡磷青铜的机械强度和弯曲加工性能已不能满足日益严格的要求。 可采用镍硅铜或钛铜等高性能铜合金来满足高强度和良好的弯曲加工性。 以及高导电率等特性要求。 相同形状的接触件采用镍硅铜或钛铜材质。 与原来的锡磷青铜相比，镍硅铜可以提高接触压力12%，而钛铜可以提高接触压力22%。
接触件铜材料的抗应力松弛性能是决定其能否可靠使用的重要技术特性。 金属应力松弛是指在恒定的高温承载条件下，总应变（弹性应变加塑性应变）保持不变，应力随时间逐渐减小的现象，称为松弛。 松弛和蠕变是同一枚硬币的两个方面； 在恒定高温下工作的材料在应力保持恒定时会蠕变，在应变保持恒定时会松弛。 连接器经常会出现插孔触点材料应力松弛的情况，导致接触不良或瞬间断电等故障。 国内外大型铜合金生产企业对此进行了深入的系列研究，为用户提供了不同牌号材料在各种恒定高温承载条件下的应力松弛曲线。
图5 应力松弛试验方法
图6 几种铜合金的应力松弛性能
通常用150℃高温保持1000小时后的残余应力保留率来判定铜材料的应力松弛性能（图5）。 钛铜（1990）和铍铜（1720）具有良好的应力松弛性能，可分别保持原始接触压力的95%和80%以上，而磷青铜（5210）则下降至原始接触压力的60%（图6). 沉淀强化钛铜的屈服强度达到以上，相当于1720铍铜的强度水平。 它还具有优异的弯曲性能、抗应力松弛性能、高抗疲劳强度和高耐磨、耐腐蚀性能。 可替代铍铜，为手机等精细接触件提供充足、稳定的接触压力。
4.5 物理性能
铜的导电性、导热性、热膨胀系数、弹性模量等物理性能也是决定其能否用于接触件的重要因素。 例如，近年来，随着新能源汽车的普及应用，因电源连接器接触不良、温升而导致燃烧的案例时有发生，人们对温度寿命测试十分重视[3]。 有必要对电源连接器接触件用同类型国产高导铜材料与进口同类型高导铜材料质量差距的根本原因进行分析和研究。 除采用国产、进口同类型铜材料制作同规格、同型号触点外，还必须分析材料的理化性能、工艺性能和接触部位的功能。 除了对比试验外，还应根据相关标准对其耐环境性能进行评价。 -1000.01是电子工业协会用于评估商业办公环境的连接器环境测试方法。 测试分为七组：温度寿命、热冲击（温湿度循环）、机械振动、混合流动气体+热干扰、热循环、灰尘+热干扰和插拔耐久性。
高温加速寿命试验主要加速连接器触点铜材料的应力松弛，加速镀层的氧化和绝缘体的老化，验证连接器在一定使用寿命后接触性能是否可靠。
4.6 工艺性能
接触部位的铜材料必须满足不同规格、状态、地点、取样方向的成型要求。 冲压、卷边、弯曲、卷绕等工艺性能比伸长率更为重要。
厚度偏差小、晶粒组织细、内应力低、表面精细是冲压、压接、弯曲、卷绕等良好工艺性能的基本保证。 例如，智能手机需要在有限的空间内实现越来越复杂的功能。 诸如VCM蚀刻扭矩平衡弹片和背板连接器之类的组件变得越来越复杂，相应的铜材料在满足功能要求的同时变得越来越薄。 手机的最小铜合金箔带的厚度仅为0.0015-0.012mm，厚度偏差为+/- 5％。 目前，世界上只有少数几个供应商可以提供稳定的精密超薄材料（图7）。 5G移动电话中的背板连接器仅为0.7mm，厚0.06毫米，平坦，狭窄的空间和复杂的弯曲形状。 在保持高强度和高弹性的同时，铜必须具有出色的工艺形成性（图8）。
精密滚动设备和滚动技术是产生较薄厚度和更均匀性能的必要条件。 它们确保在材料的滚动过程中确保应力分布和出色的板块形状。 衰老和退火完成后，去除内部应力残留物，以确保形成材料过程。 最后，保持精确的轮廓，以便随后的电镀和组装收益率可以达到预期。
图7智能手机连接器联系部件铜箔规格
图8 5G手机背板连接器接触式铜带具有高处理性
4.7质量一致性
同一批次，不同批次，不同温度环境以及长期使用后的铜接触的质量一致性是一个非常重要的基础研究内容，可确保连接器的稳定和可靠使用。 在中国高端应用领域的接触零件和类似进口材料的铜材料之间，质量一致性存在明显的差异。 由于国内铜联系的质量不稳定，这会影响其可靠的使用，因此许多用户经常选择进口材料。 目前，我国仍然很少有单位和个人可以冷静下来并专注于对铜接触质量一致性的实际数据积累和分析。
铜材料质量和过程技术集成是决定产品质量一致性的关键因素。 发达国家依靠高级铸造，滚动，热处理和精加工技术，再加上高级灵活处理和在线质量控制技术，可以有效地控制整个生产过程的质量并确保大规模，高效率，低成本的质量生产的同时确保提高铜质量一致性。 除了我国家的一些铜处理公司引入了高级设备以部分实现大规模和智能的批量生产外，大多数铜加工公司的生产设备仍然相对落后，而且很难生产具有越来越精细规格的铜材料并满足良好联系的需求。 零件对质量因素的需求越来越高，例如尺寸准确性，均匀的谷物细化，表面粗糙度和铜材料的过程形成性。 即使可以通过流程研究开始小规模的试验生产，也很难实现大规模的批量生产，以保证“四个质量一致性”。 这是一个缺点和痛苦的点，中国的接触铜产业将来必须克服。
5条建议
从发达国家的技术整合创新的成功经验中学习，将互联网概念扩展到接触铜的生产和服务领域，并促进联系铜产业链中企业和机构的劳动和专业化。 建议接触铜材料科学研究，大学，生产，应用，标准和质量检查单元形成“联系铜材料应用程序基础研究联盟”，并相应地建立了一个基础研究联盟，可以应用接触铜材料应用基础研究实现通用联系行业的结果3.0自动大规模生产孵化基础和物流分配中心。 相关的国家部委和委员会可以组织一项可行性研究，调查铜材料在接触部件中的当前生产和应用状态，以进口材料查找差距，并通过招标确定项目部门。 该州将投资于项目单元的现有生产设备和测试方法的转换，并逐渐实现等效地代替国内接触零件进口铜材料的目标。 为了在接触生产过程中促进废物材料的回收，建议将基础位于铜处理和生产企业附近。
参考
[1]国家军事标准电气连接器联系一般规格法规军事标准出版和国防科学，技术和工业委员会发行部
[2]高电导率和高性能铜合金 电子材料有限公司，样品2020
[3] Tsai 连接器温度寿命测试国际电缆和连接2020年1月和2月
附件是高级工程师Yang 的作者图片，于2020年9月17日参加了该行业的汽车新材料论坛：
2020年9月17日，他参加了工业博览会汽车新材料论坛的互动研讨会，并发表了演讲。
参加了2020年9月17日中国工业博览会汽车新材料论坛的认证仪式（左三）
成谷汽车新材料专家委员会的专家任命信