1　引言

在高速连接器的设计过程中，选用塑料材料的主要依据是材料的高速性能稳定、介电常数和介电损耗正切值较低，能够降低高速信号传输时的介质损耗等，常用的有LCP、PPS、TPX等[1]。PPS是一种综合性能优异的热塑性工程塑料，其突出的特点是耐高温，耐腐蚀和优越的机械性能。PPS材料的加工方法通常为注塑成型，但由于该材料具备较好的机械加工性能，在考虑开模成本等因素时，也可采用机械加工方式。

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LCP塑料是一种新型的高分子材料，这类材料具有优异的耐热性能和成型加工性能。其机械性能、尺寸稳定性、加工性良好，耐热性好，热膨胀系数较低[2]。由于其具有优异的成型加工性能，一般通过注塑成型进行加工。

PPS和LCP塑料是高速连接器常用的两种绝缘材料，当绝缘材料需要兼具连接器的外壳功能时，极易出现塑料材料的开裂、变形和翘曲现象[3]，导致连接器失效无法使用，因此有必要对此种情况下塑料材料的失效原理、加工方式和解决方法等进行研究。

2　产品结构和外壳失效模式

2.1　产品结构特点

本文研究的某型连接器为矩形高密度、大芯数高速连接器，主要用于印制板之间的信号、电流的传输。排列密度最小能够达到1.5mm×1.7mm，该型连接器能够在-65℃到+125℃的温度条件下使用，整体结构采用塑料外壳，即绝缘体兼具壳体的功能，外壳需同时满足一定的机械和电气性能，因此根据芯数的大小分别采用LCP和PPS材料，能够满足客户对轻插拔力、高密度、高速率、机械寿命及低重量等方面的要求。

  

图1　连接器外形图

2.2　外壳失效模式

试验条件为-55℃～+125℃(产品额定工作温度为-65℃～+125℃)，在高温和低温各保持1小时，进行20次循环，每次循环后查看样品外壳是否有变形。

  

图2　6LCP外壳开裂

  

图3　PPS外壳翘曲变形

3　失效原理及试验验证

3.1　失效原理分析

通过以上的分析和验证，该型连接器外壳零件目前采用的LCP开模加工和PPS机械加工均存在一定的失效概率，这种失效存在于生产和客户使用整个过程中，具有很大的风险。对于PPS外壳，应在300芯及以下产品中全部采用开模加工，以避免零件本身存在的内应力在后续生产和使用过程中的受热释放，产生外壳变形问题。对于压入接触件导致的LCP外壳开裂和PPS开模外壳的受热变形，首先可以在保证压配可靠性的前提下，从设计上减小接触件与外壳孔位间的过盈量，并严格控制零件来料尺寸，确保零件装配时过盈量在合理范围内，这样可有效减小产品中的内应力堆积，大大降低外壳失效的概率。其次，改善LCP外壳注塑工艺参数，如增大模具溢料口、增加注塑压力等，提高合模线的强度，从而避免该处压入接触件后的开裂问题。

  

图4　外壳孔位受力示意图

为了验证该产品PPS外壳在实际环境中的表现，采用该型高速连接器直式插头(开模加工)2个，弯式插头(机加工)2个，直式插座(开模加工)4个，弯式插头外壳1个(机加工)进行温度冲击试验。通过对比外壳不同的加工方式、形状和是否压接接触件时的耐环境表现，确定PPS材料出现变形、翘曲的原因。

3.2　温度冲击试验

由此可知，外壳与接触件之间的过盈量设置不合理，或零件超差导致过盈量较大，以及材料本身的特性和加工方式均对该连接器外壳是否失效有重要影响。

3.2.1　试验条件

产品设计过程中，综合考虑产品性能和成本等方面因素，该连接器在芯数达到200芯及以上时，外壳采用LCP材料开模加工，在200芯以下时一般采用PPS材料机加工，订货较多的型号进行开模加工。但是在生产过程中多次出现了LCP外壳开裂、PPS外壳压入接触件后翘曲变形等问题，如图2、图3所示。通过初步分析，LCP外壳开裂问题主要是由于该材质在合模线上的结合力比较小，压配接触件后，在基座结合线处往往会出现开裂现象。而PPS外壳翘曲变形主要是材料本身内应力以及压入接触件后在外壳内部产生的应力受热释放所导致。

3.2.2　试验结果

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图5　温冲后弯式和直式插头变形图

  

图6　温冲后直式插座和插头实物图

与图3中压配刷状插针合件后外壳的变形状态对比可知，变形方向互相垂直，温冲试验的样品变形不是压配刷状插针合件导致的，而成品与空外壳变形方向一致说明该现象是零件自身应力导致的。变形的外壳为机加件，而另外两款未变形的外壳为开模件，因此可以认为PPS材料机加外壳零件自身存在较大内应力，在受热时会导致产品发生明显翘曲变形。

3.3　接触件压入力

由测试数据可知，当接触件倒刺尺寸以0.01mm的级别增加时，压入力会成倍增长，使得外壳中的内应力急剧增大。

采用数显压力机分析接触件倒刺处尺寸与压入力的关系，得出表1所示数据：

在第1次温冲循环试验后弯式插头和弯式插头外壳均发生了明显的变形，且变形方向均垂直于外壳开孔轴线，如图5所示，左侧为变形的插头和外壳，而右侧直式插头、直式插座均未发生明显变形，如图6所示，继续进行温冲试验直到完成20次循环，整个过程中产品变形状态与第1次温冲循环后的状态基本一致。

 

表1　倒刺尺寸与压入力关系

  

尺寸压入力1．07mm34N30N32N31N1．08mm41N39N40N40N1．11mm74N75N75N72N

在接触件压入外壳后，外壳开孔受力向外撑开，对于LCP外壳，当受力足够大时，就会在合模线这一薄弱处产生裂纹，对于开模加工的PPS外壳，当芯数较多时，压入数百只接触件后，外壳内部积聚的应力较大，一旦受热，外壳内部应力释放，压接处即外壳底部向外膨胀，由此形成沿外壳开孔轴线方向的翘曲变形现象，即如图3所示。

4　改进方法

LCP外壳开裂问题一方面是由于材质本身强度较高而韧性低的特点以及加工方式导致的缺陷造成，另一方面接触件与外壳采用倒刺过盈压配的方式，接触件倒刺与外壳孔位的过盈量对LCP外壳是否开裂有重要影响，当零件公差走向极限，过盈量超过材料的承受极限时，就会出现开裂现象。PPS外壳压入接触件后的内应力同样受该过盈量的影响，由于PPS材料韧性较好，内应力会在受热时大量释放，使外壳翘曲变形而不会开裂，此外由于PPS机加原料本身也有一定程度的内应力积聚，受热时也会出现变形现象。

此外在开模加工的PPS外壳产生翘曲变形问题后，由于该材料具有较好的韧性，在变形量在可接受范围内的产品，可以利用整形工装进行整形，在高温下去除内应力，这一方法可以有效解决部分产品的翘曲变形问题，提高产品的合格率。

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5　结论

本文对某高速连接器的塑料外壳失效模式进行了分析和验证，结合PPS和LCP塑料的特性找到了该外壳失效的根本原因，根据不同的情况提出相应的解决措施，即控制压配过盈量和采用开模加工去除零件内应力，有效解决了该产品长期存在的外壳开裂、翘曲变形问题，为该类连接器的设计和生产提供一定的参考。

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参考文献：

[1]　邵建兴，张杰.一种高速背板用高密度数据传输连接器设计，电子器件，2016.

[2]　郑垲，工程塑料行业形势发展分析，塑料工业，2011.

[3]　张晓旭，杨于光，张亚军等，工艺参数对LCP微连接器翘曲的影响，塑料，2016.

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