PCB焊接端子裝配力的影響研究

【摘" 要】文章采用有限元分析法，求解不同尺寸PCB焊接端子的裝配力，探討其微尺度公差對裝配力的影響，為端子設計優化提供依據，并通過試驗驗證，得出合理的公差設計。

【關鍵詞】端子；有限元；微尺度

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（2025）02-0105-02

Study on the Influence of Assembly Force on PCB Welding Terminals

WANG Zhiguang，WANG Wujun，LI Houkun

（Henan THB Electric Co.，Ltd.，Hebi 458030，China）

【Abstract】In this paper，finite element analysis was used to solve the assembly force of PCB welding terminals of different sizes，and the influence of micro-scale tolerance on assembly force was discussed，which provided a basis for terminal design optimization. Through experimental verification，reasonable tolerance design was obtained.

【Key words】terminal；finite element；microscale

0" 前言

汽車用中央電器盒廣泛采用焊接端子連接PCB板與電器元件。隨著車輛功能增多，對中央電器盒集成化要求提高，需在有限空間布局更多元件，滿足小型化、輕量化設計需求。焊接端子與PCB焊接孔過盈配合，通常認為過盈量越大，裝配力越大，但過盈量微尺度變化對裝配力的具體影響研究較少。而焊接端子在生產裝配中，需兼顧裝配機與回流焊的工藝要求，因此研究過盈量微尺度變化對焊接端子裝配力的影響意義重大。PCB焊接端子裝配如圖1所示。

1" 微尺度效應

“微尺度”并無嚴格界定，是相對概念，其效應的時空尺度范圍隨研究對象而異。空間微尺度一般跨越微米到原子尺度，微米范圍上限在100μm以下，亞微米定義為0.1μm以下至1nm之間[1]。

微成形中尺度效應定義尚不明確，一般指在微成形時，因制品整體或局部尺寸微小化，導致成形機理和材料變形規律不同于傳統成形的現象。這是由于與宏觀成形相比，微成形制品幾何尺寸和工藝參數可按比例縮小，但材料微觀晶粒度、表面粗糙度等參數不變，致使材料成形性能、變形規律及摩擦等出現特殊變化。

微尺度效應分為兩類：第1類尺度效應和第2類尺度效應。

1）第1類尺度效應指能夠根據相似原理解釋或能采用傳統力學模型推導、模擬的現象。比如，在微尺度拉伸成形過程中，隨著制件的微型化，制件表面積與體積的比率增大，從而導致摩擦的增大，即摩擦力與總拉深力比率的增大。

2）第2類尺度效應指那些不能根據相似原理或采用傳統力學模型解釋、推導、模擬的現象。比如拉伸試驗中，隨著試樣尺寸的減小，流動應力也相應減小的現象。

本文研究的尺度效應問題，可采用傳統力學模型和材料本構模型進行有限元分析，故微尺度干涉量對焊接端子裝配力的影響屬第1類尺度效應問題。

2" 建立有限元模型

PCB由FR4環氧玻璃纖維基板及上下兩層銅箔組成。FR4環氧玻璃纖維厚度約1.3mm，銅箔厚度約0.144mm，焊接孔內由0.03mm銅箔覆蓋且與基板銅箔相連。通過對PCB銅箔和FR4環氧玻璃纖維進行拉伸試驗，獲取材料參數見表1。拉伸試驗如圖2所示。

PCB焊接孔表面鍍錫，鍍錫面摩擦系數與多種因素有關，取值在0.15～0.30之間，本文取0.2進行仿真分析，更接近實際。焊接端子與PCB焊接孔過盈配合，過盈量是影響插拔力的主要因素。為精確建立有限元仿真模型，利用三坐標測量儀測量焊接端子和PCB焊接孔關鍵尺寸，以常見的1.5mm孔徑PCB焊板孔為研究對象，測量尺寸如圖3所示，測量結果見表2。

根據表2測量結果建立3D模型，端子尾部A尺寸為1.433mm，PCB焊接孔尺寸為1.493mm，其他非關鍵尺寸采用理論尺寸。

仿真結果如圖4所示，端子試驗插入力曲線如圖5所示。焊接端子插入PCB焊接孔插入力仿真結果為69.41N。焊接端子插入PCB焊接孔插入力3組試驗結果分別為70.49N、70.05N、57.10N，其平均值為65.88N。對比仿真與試驗結果，誤差為5.1%，說明仿真模型與實測結果基本吻合。

3" 仿真和試驗分析

從設計尺寸看，焊接端子插入力和拔出力的主要影響因素有端子料厚、端子寬度和對配PCB孔徑。設置6個仿真和試驗組，保持PCB孔徑和端子料厚不變，改變端子寬度進行仿真和試驗，其結果見表3。為研究過盈配合對插拔力的影響，將端子截面對角線長度與PCB孔徑之差定義為干涉量。

由圖6可知，插入力和拔出力隨干涉量增加而增大，因材料插入時發生塑性變形，插入力始終大于拔出力。干涉量在40～140μm范圍，插入力近似隨干涉量線性增大；在40～90μm范圍，插入力和拔出力變化曲線近似平行；干涉量超90μm，因干涉量過大致材料塑性變形過大甚至局部破壞，拔出力與插入力差值逐漸增大。所以，要保證插入力和拔出力增大趨勢不變，干涉量不應大于90μm。同時，根據插裝設備和焊接工藝要求，焊接端子插入力不宜過大，拔出力不宜過小。

4" 結論

1）PCB孔徑為1.5mm，端子料厚為0.6mm，端子寬度為1.43mm±0.01mm，滿足插入力≤75N，拔出力≥25N，此時端子公差為20μm。

2）焊接端子裝入PCB板的裝配力隨著干涉量的增加而增大，其插入力大于拔出力。

3）焊接端子與PCB孔的干涉量的優選值應在40～90μm范圍內，插入力和拔出力變化曲線近似平行，可近似認為呈線性增大。

參考文獻

[1] 唐禎安，王立鼎.關于微尺度理論[J].光學精密工程，2001（6）：493-498.

[2] 張旭，Aifantis Katerina.微尺度下材料界面對材料力學響應的應變梯度塑性理論研究[C]//中國力學大會2015論文摘要集.上海：中國力學學會，2015：127.

[3] 傅加平，賀毅，張永生.仿真軟件在連接器設計中的應用[J].電工電氣，2009（10）：35-36，44.

[4] 李厚琨，王武軍，王榮喜，等.連接器端子彈片的形狀優化[J]. 汽車電器，2023（3）：32-33.

[5] 李厚琨，王榮喜，王武軍，等.PCB焊接端子優化設計研究[J].汽車電器，2020（11）：45-46，50.

（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-08-02

作者簡介：王志廣（1979—），男，高級工程師，碩士，主要從事汽車連接器、電器盒研發管理工作。