PCB焊接端子装配力的影响研究

原创线束中国 2025-03-05 09:50 253浏览 0评论 0点赞

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【摘要】文章采用有限元分析法，求解不同尺寸PCB焊接端子的装配力，探讨其微尺度公差对装配力的影响，为端子设计优化提供依据，并通过试验验证，得出合理的公差设计。

0 前言

汽车用中央电器盒广泛采用焊接端子连接PCB板与电器元件。随着车辆功能增多，对中央电器盒集成化要求提高，需在有限空间布局更多元件，满足小型化、轻量化设计需求。焊接端子与PCB焊接孔过盈配合，通常认为过盈量越大，装配力越大，但过盈量微尺度变化对装配力的具体影响研究较少。而焊接端子在生产装配中，需兼顾装配机与回流焊的工艺要求，因此研究过盈量微尺度变化对焊接端子装配力的影响意义重大。PCB 焊接端子装配如图1所示。

1 微尺度效应

“微尺度”并无严格界定，是相对概念，其效应的时空尺度范围随研究对象而异。空间微尺度一般跨越微米到原子尺度，微米范围上限在100μm以下，亚微米定义为0.1μm以下至1nm之间。

微成形中尺度效应定义尚不明确，一般指在微成形时，因制品整体或局部尺寸微小化，导致成形机理和材料变形规律不同于传统成形的现象。这是由于与宏观成形相比，微成形制品几何尺寸和工艺参数可按比例缩小，但材料微观晶粒度、表面粗糙度等参数不变，致使材料成形性能、变形规律及摩擦等出现特殊变化。

微尺度效应分为两类：第1 类尺度效应和第2类尺度效应。

1）第1 类尺度效应指能够根据相似原理解释或能采用传统力学模型推导、模拟的现象。比如，在微尺度拉伸成形过程中，随着制件的微型化，制件表面积与体积的比率增大，从而导致摩擦的增大，即摩擦力与总拉深力比率的增大。

2）第2 类尺度效应指那些不能根据相似原理或采用传统力学模型解释、推导、模拟的现象。比如拉伸试验中，随着试样尺寸的减小，流动应力也相应减小的现象。

本文研究的尺度效应问题，可采用传统力学模型和材料本构模型进行有限元分析，故微尺度干涉量对焊接端子装配力的影响属第1类尺度效应问题。

2 建立有限元模型

PCB由FR4环氧玻璃纤维基板及上下两层铜箔组成。FR4 环氧玻璃纤维厚度约1.3mm，铜箔厚度约0.144mm，焊接孔内由0.03mm 铜箔覆盖且与基板铜箔相连。通过对PCB铜箔和FR4环氧玻璃纤维进行拉伸试验，获取材料参数见表1。拉伸试验如图2所示。

PCB 焊接孔表面镀锡，镀锡面摩擦系数与多种因素有关，取值在0.15~0.30 之间，本文取0.2 进行仿真分析，更接近实际。焊接端子与PCB焊接孔过盈配合，过盈量是影响插拔力的主要因素。为精确建立有限元仿真模型，利用三坐标测量仪测量焊接端子和PCB 焊接孔关键尺寸，以常见的1.5mm 孔径PCB 焊板孔为研究对象，测量尺寸如图3 所示，测量结果见表2。

根据表2测量结果建立3D模型，端子尾部A 尺寸为1.433mm， PCB 焊接孔尺寸为1.493mm，其他非关键尺寸采用理论尺寸。

仿真结果如图4 所示，端子试验插入力曲线如图5 所示。焊接端子插入PCB 焊接孔插入力仿真结果为69.41N。焊接端子插入PCB 焊接孔插入力3 组试验结果分别为70.49N、70.05N、57.10N，其平均值为65.88N。对比仿真与试验结果，误差为5.1%，说明仿真模型与实测结果基本吻合。

3 仿真和试验分析

从设计尺寸看，焊接端子插入力和拔出力的主要影响因素有端子料厚、端子宽度和对配PCB 孔径。设置6 个仿真和试验组，保持PCB 孔径和端子料厚不变，改变端子宽度进行仿真和试验，其结果见表3。为研究过盈配合对插拔力的影响，将端子截面对角线长度与PCB孔径之差定义为干涉量。

由图6 可知，插入力和拔出力随干涉量增加而增大，因材料插入时发生塑性变形，插入力始终大于拔出力。干涉量在40~140μm 范围，插入力近似随干涉量线性增大；在40~90μm 范围，插入力和拔出力变化曲线近似平行；干涉量超90μm，因干涉量过大致材料塑性变形过大甚至局部破坏，拔出力与插入力差值逐渐增大。所以，要保证插入力和拔出力增大趋势不变，干涉量不应大于90μm。同时，根据插装设备和焊接工艺要求，焊接端子插入力不宜过大，拔出力不宜过小。