摘 要：本文将对目前高速差分连接器中用于电源分配的两种不同接触件系统进行热电耦合有限元分析。有限元分析模型将用于基于施加的电流确定每个接触件设计的温升。然后，通过将当前的贱金属材料改为高性能铜合金材料，并用基础模型对接触系统进行优化设计。然后将每个电源接触件设计的经验数据用来验证有限元分析（FEA）模型结果。最后，我们将利用Abaqus/标准有限元软件创建一种有限元分析模型。

关键词：电源连接器；高性能铜合金；电阻；电流;有限元分析

1 引言

当今，先进电子系统（如交换机、路由器、大型计算机、刀锋服务器、大容量存储设备以及各种其他设备）的封装都面临着一个共同的电源分配问题。

这些系统通常将电源分配盒分割成子系统，分立地插在印刷电路板（PCB）或卡上。这些卡，从交换机结构到CPU卡，在一个非常有限的空间内需要越来越多的功率。这些卡通常通过公用的PCB连接在一起，该PCB被称为背板、中间板或母板。无论具体的实施方式如何，其占用的空间都是非常宝贵的，因此需要增加插拔卡的功率密度。

本文旨在开发用于配电领域的两种接触件的有限元分析模型（FEA），然后将有限元分析模型与经验数据进行关联分析。

2 背景介绍

2.1 接触件设计

目前，VHDM（安费诺推出的一种‌高密度模块化连接器系列‌商标）^[2]产品线上有两种类型的接触件用于配电。第一个接触件设计为电源接触件，每个接触件能够分配高达10安培的电流。第二个接触件被设计为信号接触件，但考虑到印刷电路板（PCB）上的实际空间，该接触件现在也可以用来连接电源。信号接触件能够为每个接触件分配高达1安培的电流。两个接触件均由C7025 TM02高性能铜合金材料冲压而成。接触件表面镀覆有0.762μm厚的镍硬化金，其底镀层为1.27μm厚的氨基磺酸镍。

2.2 方法

本研究的方法是使用Abaqus^[6]有限元软件开发有限元分析模型，并将分析数据与经验数据进行关联分析。本研究仅电接触系统进行分析，不包括连接器外壳部分。下面我们将有限元分析模型用于确定配合界面处接触件的温升。

3 有限元模型

3.1 有限元模型的建立

为了开发有限元分析模型，我们利用Abaqus/标准有限元软件创建了热电耦合模型。在创建热电模型之前，我们进行了静态过盈拟合模型，以便将法向力参数纳入热电模型之中。干涉分析根据公端接触件和母端接触件之间的标称干涉来确定法向力。

接触件的标称法向力：对电源接触件来说为150g，对信号接触件来说为60g。在进行干扰分析之后，将输出的数据库文件导入热电模型。C7025 TM02铜合金材料的材料性能如表1所示。这些模型也将用18080 Olin材料进行分析，其材料性能如表2所示。

表1 C7025材料特性

表2 18080材料特性

一旦我们将干涉模型导入热电模型，那就要应用相关的载荷和边界条件，见图1和图2所示。两个接触件在背板兼容引脚上都有施加电流，在子卡兼容引脚上有零电压边界条件。我们将水槽温度（环境温度）设置为20℃，这是基于实验设置而确定的。这些模型还要假设所有电能均可转化为热能，因此，我们将焦耳加热比（Q/W）设置为1.0。为了减少计算时间，辐射影响并不包括在我们的热电模型中。

图1 VHDM电源接触件

图2 VHDM信号接触件

根据实验数据，假设每个模型的对流换热系数与温度有关。对流传热系数可以定义为Abaqus模型中的一种膜系数，即传热膜系数，我们将膜系数应用于模型的所有表面，如图3和图4所示。

Abaqus交互模块中应用了配合界面的热传导和电传导特性。热传导和导电性施加的区域由配合界面的微观横截面确定。

图3 应用于所有电源模型表面的膜系数

图4 应用于所有信号模型表面的膜系数

3.2 有限元分析结果

图5和图6分别为两种不同铜合金材料的电源和信号接触件的有限元分析结果。我们在热模型配合界面处提取了有限元分析温升结果。有限元分析结果表明，18080铜合金在电源和信号接触件方面的性能优于C7025铜合金。在电源接触件的最大施加电流为15安培时，两种铜合金之间存在9℃的差异。对于最大施加电流为7安培的信号接触件，两种铜合金之间存在10℃的差异。

图5 接触件配合接口处的电源有限元温升分析结果

图6 接触件配合接口处的信号有限元温升分析结果

3.3 实验设置

我们对两种电接触系统设计试样进行了实验测试，以确定配合界面处的温升。每个接触件设计试样试验设置示意图如图7和图8所示。接触件测试参照美国电子工业协会标准EIA-364–TP 70 ^[7]，即《电连接器电流与温升测试程序》。电接触系统在一个24英寸X24英寸X12英寸的有机玻璃箱中进行了测试。每个接触件在配合接口T1、电流入口T2、电流出口T3处放置有热电偶，并在配合接口T4和环境箱温度T5上方放置有热电偶。

每个接触件的施加电流施加在背板接触件上。对于电源接触件来说，其施加的电流范围为1安培至15安培；而对于信号接触件来说，其施加电流范围为2安培至7安培。施加的电流值是根据VHDM产品规格和客户应用领域来确定的。

图7 温升测试设置——电源接触件

图8 温升测试设置——信号接触件

4 试验结果

电源和信号接触件的试验结果如图9和图10所示。电源接触件的测试结果表明，在施加15安培的电流时，配合接口处的最高温度为40℃（温升为18℃）。信号接触件的结果显示，在施加7安培的电流时，配合接口处的最高温度为53℃（温升为30℃）。根据实验结果，电源和信号接触件完全符合测试标准规范《电连接器电流与温升测试程序》（EIA-364-TP 70）要求^[7]。

图9 电源接触件实验温升结果

图10 信号接触实验温升结果

5 讨论

电源接触件有限元分析模型的结果和实测数据的相关性偏差在2%以内，如图11所示。信号接触件有限元分析模型的相关性偏差在10%以内，如图12所示。电源接触件良好的相关性可以归因于对对流系数（膜系数）使用了更好的假设，并在配合界面采用了更精确的接触面积。通过改变对流系数（膜系数）和配合界面的接触面积，可以提高信号接触件的相关性。

在C7025铜合金材料具有良好的模型-测量数据相关性之后，我们再将该材料改为一种具有更高电导率的材料18080。有限元分析模型结果表明，改用电导率更高的材料使电源接触件的平均温升降低了4℃，如图5所示；而信号接触件的平均温升则降低了5℃，如图6所示。

图11 电源接触件有限元分析与配合接口处测得的温升

图12 信号接触件有限元分析与配合接口处测得的温升

6 结论

本文的目的是创建一种高速互连器件中用于配电的两类接触件的有限元分析模型。有限元分析模型的结果与实验数据的相关性偏差在10%以内。虽然该模型和实验数据不包括连接器外壳，但这些模型完全可以用来分析不同的材料。该有限元模型分析方法现在也可用于开发不同的电源接触件。从上述有限元模型分析，我们可以得出如下三个结论：

1) 对流换热系数（膜系数）对确定温度分布有重要影响。

2) 这些型号仅代表整个电源接触件设计的一部分，因为它不包括连接器外壳和印刷电路板（PCB）。未来研究必须将这些因素包括在内。

3) 将材料特性改为电导率更高的材料可以提高电流接触件设计的载流能力。

参考文献：

[1] R. Schmidt, “Crossroads in Thermal Management of Electronics from Chip to Datacom Room, 2005.

[2] VHDM is register trademark of Amphenol, Inc.

[3] R. Mroczkowski, “Electronic Connector Handbook”, McGraw-Hill, 1998.

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[6] Abaqus User’s Manual Version 6.8.2009.

[7] EIA Test Standards, EIA-364-TP70.

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