汽車線束端子連接可靠性技術研究

茍榮非，蔡 恒，王 強，毛葉平，毛國軍

（重慶長安汽車股份有限公司 長安汽車工程研究院，重慶 401120）

隨著汽車信息化、智能化需要日益增長，車用電子電器功能不斷增加，各系統之間的交互也越來越密切。隨之而來的是汽車線束連接功能復雜程度的增加，其中小電流連接回路的增加最為突出，對端子連接可靠性提出更高的要求。目前行業內對端子連接可靠性技術的研究主要集中在端子本身的設計及制造領域，從端子應用和故障分析角度對端子連接可靠性研究還相對較少。汽車線束工程師在端子連接可靠性故障分析中缺少理論研究支撐。本文通過端子鍍層防護、反向應力衰減、壓接可靠性3個方面，結合理論數據和試驗驗證結果，對端子連接可靠性的失效因子進行分析，并提出在實際應用中提升端子連接可靠性的設計方法和驗證手段，具有較強的實際應用價值。

1 端子鍍層防護

由于金屬與空氣中的氧接觸會產生化學變化，生成金屬氧化層，所以為確保端子連接部位保持穩定的接觸電阻，防止端子氧化、腐蝕，端子表面都會設置鍍層進行保護。目前行業內使用的鍍層材質有錫(Sn)、銀(Ag)、金(Au)，由于價格差異巨大，采用鍍錫的方式最為普遍。各種鍍層材質的特性對比見表1。鍍金材質的端子由于其耐腐蝕性、耐磨性能強的優勢，在發動機上布置的零件或其它重要零部件上被大量應用。

端子鍍層保護主要體現在保持鍍層自身穩定性和減少接觸點摩擦所導致的鍍層磨損。

對于端子的鍍層，往往認為鍍層越厚，其抗氧化性能越好，所以在端子設計過程中，會錯誤地將鍍Sn層加厚。殊不知由于Sn很軟，Sn層越厚，經過微振動后很容易被刮損，產生大量的磨耗粉，增加接觸電阻。通過振動試驗表明，厚的Sn層比起薄的Sn層端子，其微振動后基材更易裸露形成氧化物，就更容易發生接觸阻抗增加的現象。

表1 各種鍍層材質的特性對比

為抑制Sn的微振動磨耗，Sn層厚度控制在1μm以下為宜，且以Sn和Ni的2層電鍍（Ni打底鍍Sn）的應用較普遍，但又存在Ni會向表面擴散，形成Ni-O氧化物，造成接觸阻抗增加，引起接觸不良。為了抑制Ni的擴散，通過研究表明，使用3層電鍍方式（圖1），即在Sn與Ni之間加入Cu-Sn合金層，可以有效抑制Ni擴散，對基材起到良好的保護。

圖1 3層電鍍示意圖

相對于公、母端子微振動所帶來的鍍層磨損較緩慢而言，護套間隙過大和端子晃動所帶來的端子間的磨損，對端子鍍層造成的影響更直接。通過不同間隙護套進行加速振動試驗（振動加速度40 g；振動頻率100～400 Hz）可以發現：護套間隙越大，對鍍層的磨損越嚴重。護套晃動對端子的磨損情況對比見表2。

表2 護套晃動對端子的磨損情況對比

在公、母端子的匹配應用中，不同鍍層的端子也應避免配對使用：①表面硬度，由于插拔和微振動出現的摩擦，堅硬的面會把柔軟的面刨起，比如堅硬的鍍金會把較軟的鍍錫層刨起，從而破壞鍍錫層的防護；②接觸電位，不同金屬電位差的不同，會導致電氣性腐蝕，而高溫、高濕的環境還將使腐蝕加快。金屬標準電位表如圖2所示。

圖2 金屬標準電位表

由于鍍層的磨損和腐蝕是一個微觀層面的變化，其發生較細微，很難通過肉眼進行判斷，所以在分析鍍層損傷所帶來的端子連接不可靠故障時，往往需要借助儀器設備對其進行觀測。在實際的故障分析過程中，會根據不同的測試要求選擇相應的測試方式。端子鍍層檢測方式對比見表3。

表3 端子鍍層檢測方式對比

2 反向應力衰減

公端子前端插入到母端子縫隙內時，母端子的彈簧片被擠壓發生形變后產生反向應力（圖3）。一般認為，母端子彈簧片上的凸起與公端子接觸部分為接觸面，而接觸負載集中在母端子凸起部位。所以在研究規避端子接觸反向應力的衰減時，主要是研究如何減少母端子的接觸負載所產生的方向應力的衰減。

圖3 端子接觸應力示意圖

接觸負載與端子接觸電阻密切相關，通過不同接觸負載下的瞬斷測試（圖4）可以發現：當端子接觸負載只有1N時，其接觸電阻超過10mΩ，且波動較大；而在接觸負載為10N時，接觸電阻僅為0.1mΩ，且阻值更穩定。表明：端子間接觸負載越大，接觸電阻越穩定，因此越易獲得可靠的連接性能。

圖4 不同接觸負載下的瞬斷測試

接觸負載增大有利于端子接觸電阻的穩定，過大地提高接觸電阻在使用初期可以獲得良好的接觸性能，但對端子長期的使用性能來說并不可取：①公、母端子接觸時接觸負載過大，會加劇對電鍍表層的磨損，而鍍層磨損后底層銅材氧化導致接觸電阻迅速上升。②由于母端子不同的彈簧片形狀，其形變量與反向應力特性也隨之變化（圖5），在考慮制造公差的前提下，端子間接觸負載增加應確保母端子的形變量盡可能控制在彈性形變區域內，使其具有較高接觸負載的同時，還能維持長期的連接穩定性。

圖5 反向應力和形變量的關系

常規的公、母端子接觸多為單觸點接觸，從端子接觸電阻與端子觸點的關系來看，觸點的總電阻R總可按照各觸點電阻Ri并聯關系來計算，觸點數量個數越多，電阻越小。各觸點電阻并聯關系公式如下

觸點增多帶來的另一個優勢便是將反向應力衰減的失效概率降低。通過實際應用，發現雙觸點或多觸點的設計理念是提高線束端子連接可靠性的有效手段。TE 8觸點的端子結構設計如圖6所示。

圖6 TE 8觸點的端子結構設計

盡管金屬材料的應力衰減是其本生的固有特性、不可逆，但不同材質的端子在不同溫度下的耐應力衰減性能卻大不相同。通過對各種材質在不同溫度下通電3 000 h后能保持至少70%應力的測試對比（圖7）發現：行業內使用最為普遍的黃銅（C268）材質，其對應的溫度在80 ℃及以下，表明黃銅材質的端子，要保持穩定的可靠連接，其使用溫度應不高于80 ℃，而磷青銅(C519)材質的端子則可適用于125 ℃以下的溫度。

圖7 端子材質與使用溫度對應關系

在實際故障問題的排查中，端子反向應力的衰減往往伴隨著端子簧片間隙的變化，可以借助影像測量儀對端子簧片的間隙及受損情況進行檢查，見表4。

表4 端子間隙檢測方式

3 壓接可靠性

端子的壓接是為了確保端子與導線實現可靠連接，既可實現較低的壓接電阻，又能得到足夠的機械抗拉強度。通過圖8所示的壓接原理可以清晰地看出壓縮量、機械抗拉強度及壓接電阻3者的關系。

圖8 端子壓接原理

隨著壓縮量的增大，導線拉伸強度由低到高，達到頂峰后開始下降，曲線的下降段會伴隨著銅絲過量變形甚至容易被拔斷；而壓接電阻則是由高到低，形成谷底平緩段后略有回升。從圖8中可以看出，兩項指標的最佳點并未重合，需要結合整體性能予以平衡。良好的壓接品質要求高拉伸強度和盡可能小的壓接電阻，所以選擇恰當的壓縮量是端子壓接的關鍵：一般將壓縮量控制在15%～25%為宜。

隨著汽車線束輕量化的推進，應用0.13～0.22 mm2的導線將更加普遍，小線徑的壓接，由于銅絲較細，銅導線更易被壓損，這種制造風險使機械性能和電氣性能顯得更難平衡。為同時獲得良好的壓接機械性能和電氣性能，對端子結構進行針對性設計。將端子的壓接進行功能區分，在靠近導線側，以獲得良好的機械抗拉強度為主，在靠近端子接觸側，以獲得良好的電氣性能為主。結合端子的壓接原理，由于機械性能的最優點早于電氣性能的最優點，所以將機械性能為主的端子后端高度設計得較低，而前端高度則設計得較高，使整個端子壓接的機械性能和電氣性能得到更好的平衡，如圖9所示。

圖9 基于端子壓接原理的端子壓接結構優化

目前行業內，普遍通過觀察端子壓接剖面的方式來判斷壓接是否可靠。壓接剖面在顯微鏡下的理想狀態為：各銅絲及端子間均壓接緊密，銅絲伴隨有明顯的擠壓變形，并呈現出輪廓清晰的多邊形（圖10）。端子壓接剖面的具體評判標準可參見QC/T 29106—2014《汽車電線束技術條件》。

在滿足如上所述的標準壓接剖面的前提下，將該狀態端子壓接部位的高度和寬度值（C/H，C/W）作為壓接生產過程的評價指標。經過實際的壓接參數監控發現：由于設備的機械穩定性和過程制造偏差，生產放行的壓接高、寬標準應該比設計的壓接高、寬要求更嚴，這樣才能確保壓接品質處于可靠的范圍內。比如：在測量端子高度（C/H）時，正常的設計公差范圍為±0.05mm，實際生產放行可以將其調整為±0.02 mm，即使設備存在正常的壓接波動，也可以保證端子的壓接高度滿足標準要求，最大限度地滿足壓接性能指標的達成。

圖10 金相顯微鏡下的端子剖面圖示

4 結論

本文對影響汽車線束端子連接可靠性的因素進行了深入分析，結合理論分析和試驗驗證結果，對各因素的具體規避方法進行了研究及應用，既為線束端子連接選型提供設計指導，又為端子連接不可靠的故障模式提供了具體的分析方法。

［1］ 王奇，楊建璽，苑靜.淺析影響汽車連接器端子導電性能的因素［J］.汽車電器，2015（4）：49-50.

［2］ 靳方建.電連接器接觸件可靠性分析與高溫插拔試驗[D].杭州：浙江理工大學，2013.

［3］ 尹豪邁，張衛東.TE關于汽車線束及連接器之輕量化解決方案［C］// 2014中國汽車工程學會年會論文集，2014.

［4］ 曹榮，王武軍，高志軍，等.汽車電線束中端子壓接的要求［J］.汽車電器，2014（8）：45-48.