基于汽車電器開關一體式集成連接器的應用研究

張立新，肖 丹，黃慶達，郭慶鐵，嚴勝義

（溫州長江汽車電子有限公司，浙江 溫州 325000）

汽車電子技術日新月異，而在汽車整車內部有數萬個零部件，其中數百個電路連接器肩負著電路訊號的輸入和輸出，在電路的功能實現中起到關鍵的作用。

這些連接器讓整車的制造變得簡便，能讓各零部件供應商分工明確，同步開發，為整車的研發縮短了時間等成本，也能為車輛的診斷與維修帶來便捷。汽車的故障診斷，可以通過OBD接口（連接器之一）連接汽車電腦，查詢汽車故障所在。而汽車電器零部件因為壽命到期或者損壞等因素不可避免，一旦損壞需要更換，只用拔出連接器更換新的零部件即可。本文介紹了汽車連接器的分類、應用形式、標準要求，以一體集成化連接器為研究對象，從設計、試驗到應用等環節與原廠連接器對比驗證。驗證結果表明一體集成化的設計方案具有很靈活的應用形式、更低的生產成本、更高的生產效率、更廣闊的應用前景和實用價值。

1 汽車連接器的組成、分類及應用

1.1 汽車連接器的組成

汽車連接器同其它連接器相同，由端子、護套及其它附件組成可實現電氣連接的組合件。

1）端子：端子實現電性能的導通，從而實現信號的傳遞，是整個元器件的核心部分，端子可分為公端子與母端子，兩者均為金屬材料。

2）護套：主要采用絕緣性的塑料材料制成。一方面固定端子，為公端子與母端子接觸提供良好的環境；另一方面固定連接器，實現較好的連接強度。

3）其它附件：以實現其它特定需求，例如：防水連接器，則需增加橡膠密封件來實現防水性能；通信類連接器，需增加屏蔽環以防止音頻視頻信號在傳輸過程中的損失；安全氣囊連接器中需增加電磁環降低外界錯誤的微弱電信號無端引爆安全氣囊；還有安裝定位用的，如二次鎖、安裝扣等。

1.2 汽車連接器的分類

汽車連接器雖然實現的作用都相同，但在類型、結構形式、功能上卻有不同的分類形式。按類型分類，可以將汽車連接器分為公端和母端，防水連接器和不防水連接器；以連接的對象不同，按結構形式分類，可將汽車連接器分為線對線連接、線對板連接、板對板連接等；按連接器所連接的電器功能不同，可將汽車連接器分為傳統連接器、專業連接器。

1.3 傳統連接器在汽車電器開關上的應用

汽車電器開關信號的傳達，以整車線束及連接器為樞紐，如同人的神經系統，將信號進行傳遞。

一般汽車電器開關所使用的連接器，既有使用公端，也有使用母端的。其中以使用公端，且公端焊接于PCB板端的為絕大多數，以使用帶線束的公端或母端為少數。而PCB板端的則絕大多數以一體化集成為主，原型件為輔。

原型件，即連接器原廠或結構完全類同原廠的零件；一體化集成，即連接器的護套部分開發集成于電器開關上，電器制造商再重新另行開發設計金屬端子零件（插針/插片總成）。

2 汽車連接器執行的標準要求

汽車連接器作為汽車上的零部件，有專項的標準要求。以汽車電器開關存在時，有汽車電器產品的標準要求；以線束端存在時，有線束端的標準。因此，產品需同時符合兩套標準要求，此兩套行業標準有相關參數定義，各OEM同時也有相關參數定義。各OEM間標準雖然不同，但實質的要求基本一致，現將行業標準及通用汽車標準中較關鍵的電性能要求（表1）、機械性能要求（表2）、環境性能要求（表3、圖1）等三方面作歸納總結［1］，其中表格中凡是涉及的尺寸均指端子的規格尺寸。

圖1 溫度/濕度循環

表1 電性能要求

表2 機械性能要求

表3 環境性能要求

3 連接器回流焊工藝的介紹及要求

連接器作為汽車電器產品的一部分，需要通過焊接技術焊接在電器產品上。隨著現代工業化的進步，焊接技術也早已更新換代，目前連接器的焊接生產主要以回流焊工藝為主，其它波峰焊、機器人輔助焊接為輔。

回流焊設備的內部有一個加熱電路，將空氣或氮氣加熱到足夠高的溫度后吹向已經貼好元件的線路板，讓元件兩側的焊料融化后與主板粘結。回流焊的優勢是溫度易于控制，焊接過程中還能避免氧化，制造成本也更容易控制，且相對于傳統的采用手工將元器件插在線路板上，回流焊有明顯高效、高焊接品質的特點。

回流焊主要可以分為兩類：SMT貼片，指Surface Mounted Technology，與PCB通過焊盤焊接；THR通孔焊，指Through hole reflow，與PCB通過金屬化孔焊接。

回流焊對連接器的耐高溫提出了較高的要求（圖2），需要連接器在回流焊260℃高溫10s后，無明顯變色氧化現象；同時對于連接器的包裝有標準化的要求（圖3），能自動取料，提高生產效率。

圖2 回流焊過程溫度/時間圖

圖3 回流焊元件包裝圖示

4 一體式集成連接器的設計開發

一體化集成，即連接器的護套部分，在現有原型件的基礎上，根據產品綜合需求，開發集成于電器開關上，電器制造商再重新另行開發設計金屬端子零件（插針/插針總成）。

4.1 連接器的拆解

整體方案確定后細化設計連接器的各功能部分，將原型連接器進行拆解，原塑料部分一體化集成至電器殼體中，原插針部分（金屬端子）拆解至插針中各自有效地分解成兩部分，并確認殼體塑料相關性能可符合連接器的相關性能要求。如圖4所示。

圖4 品牌連接器的原型拆解后一體化集成后零件

4.2 底座（護套）掛扣強度的校核

由于一體化集成后護套部分的材料按電器殼體的材料，一般選用PC/ABS。護套主要作用為定位與鎖定兩連接器，并保證一定的連接力。因此，護套鎖扣的強度將是護套的關鍵性能特性。

本文在原型連接器基礎上調整局部壁厚和結構優化，針對3種不同方案的掛扣保持力強度作CAE分析［2-3］。3種不同方案結構如圖5所示，對應的拔出力曲線如圖6所示，掛扣拔出力強度見表4。

圖5 3種不同方案結構示意圖

圖6 3種方案對應的拔出力曲線

表4 3種不同方案下的掛扣拔出力強度

通過CAE分析可知，方案3掛扣拔出力125N＞110N風險較低，可采納，詳見表4。

4.3 回流焊插針的設計

4.3.1 塑料材料的選擇

由于回流焊高溫260℃的要求，以及連接器絕緣性及法律法規中阻燃性的要求，塑料材料選取杜邦生產的高性能聚酰胺樹脂PPA-GF30，熔融溫度達到310℃，滿足回流焊溫度的要求。

4.3.2 金屬材料的選擇及性能核算

材料的選擇一般與插接器Pin針的截面尺寸（強度）、所承受的負載有關，金屬材料的選用除客戶對材料的特殊要求外，參考USCAR-EWCAP發布的材料性能要求［4］，選用銅合金H70，電阻率ρ為0.062×10-6Ω·m（20℃）。

1）電導率的校核

依公式電導率（%IACS）=0.017241/ρ×100%，H70的電導率=0.17241÷0.062×100%=28%IACS。計算結果28%IACS與US CAR-EWCAP要求中的≥28%IACS相符［4］，因此材料選型電性能要求可行。

2）接觸電阻的校核計算公式：

式中：ρ——導體材料的電阻率，Ω·mm2/m；L——：導體的長度，m；S——導體的橫截面積，mm2。電阻率ρ轉換單位：0.062×10-6Ω·m=0.062Ω·mm2/m。

于是，R=0.062×11×10-3÷（0.64×0.64）=0.279×10-3Ω≈0.3mΩ，滿足R＜5mΩ的標準要求。

綜上兩項，插針材料的選擇符合電性能要求。

3）材料狀態的確定［5］

根據綜合力學性能要求及GB/T 21652-2017查詢定狀態為H02，插針材料選用H70H02。

4.3.3 金屬Pin針常用的電鍍工藝

鍍錫是Pin針最常用的電鍍種類，可焊性高、信賴性高，相比鍍金或者鍍銀，價格低廉，行業常確定鍍錫3～5μm，鎳底：1～2μm為標準。

4.3.4 回流焊THR插針結構的設計

1）重心相對定位面居中，插件放置于PCB上及傳輸過程中不會有傾倒。

2）淺藍色定位面需布于4角（圖7），以便讓出更多空間便于回流焊過爐時熱量的傳遞，利于錫膏的融化、提高焊接品質。

圖7 THR插針結構示意

3）塑料塊定位寬度W為5mm，高度H按2.5mm設計，插針露出PCB高度為1mm。

4.4 試驗驗證及結果

連接器作為電器產品與整車溝通的橋梁，在產品的開發過程中，需要進行嚴格的試驗驗證。針對連接器的標準要求（表5），展開相關性能試驗驗證。

表5 一體化集成連接器進行的專項試驗驗證及結果

4.5 成本對比分析

以此項目中原廠件型號為例，從生產過程成本、生產效率，經多款連接器橫向對比，采用一體式接插件設計能較高地提高生產效率，節約生產成本。具體見表6、表7。

表6 原廠件與一體化集成連接器焊接生產成本對比 元

表7 原廠件與一體化集成連接器焊接效率對比

5 結論

本文以某車型上一開關產品為切入點，驗證了THR回流焊插針從設計開發到試驗驗證的過程，各項性能均符合客戶要求，且所開發的THR插針已作為平臺化產品，運用于其它車型的多個產品，未出現生產制造、售后品質等抱怨問題，也驗證了此設計方法、理念的可靠。

隨著人們對速度及能耗的需求，整車輕量化設計逐漸被提上日程，汽車連接器作為整車的一部分，也需要輕量化設計，材料的選型上需成本更加低廉、性能更優、密度更小、承載能力（部分電器產品需要承受大電流，因此現有傳統產品，插針/插片根據負載大小選型）更強的原材料。