电子连接器的电 -热耦合仿真

电子连接器的电 -热耦合仿真

俞威

东莞市广业电子有限公司 广东 东莞 523932

摘 要：电连接器是关键元器件,其在信号及数据传输中有着关键性作用。在当前信息化时代，对电子连接器的可靠性要求逐渐提高，且要求其能够完成数据高效传输，基于此对电子连接器的电热耦合仿真进行研究十分必要。本文对电子连接器的电热耦合仿真进行研究，采用电接触基本原理，依据电热耦合规律分析其在应用中的各类现象。

关键词：电子连接器；电热耦合仿真；应用

前 言：

电连接器是现代板路工程的重要元件，其也是当前数据传输及连接的重要环节，负责不同电子系统设备的关联，无论是民用还是军用，每个电连接器的质量将直接影响到整个系统设备的性能安全。由此可以看出，研究电子连接器的电热耦合仿真，对于我国电子行业 发展，或我国电气系统的发展有着至关重要的作用。本人从2014年8月份起直到目前在东莞市广业电子有限公司从事电子连接器产品的开发工作，目前担任研发中心经理，广业连接器产品技术中心（省级）经理岗位。 负责电子连接器产品，制造工艺及测试科研工作。

一、多物理场的耦合及仿真分析

多物理场现很容易发现，起初多场耦合需要对其进行简化处理，而随着科学技术的进步，多场耦合结合仿真成为了当前连接器发展的重要组成部分。当前我国研究人员对多场耦合仿真进行了广泛的关注，主要集中在力学领域和与工程应用领域，在通常情况下应力场与多场之间需要相互影响，促使材料性能发生改变对当前变化影响应力场的分布进行调整。由于整个过程是一个非线性的耦合过程，常规的研究手段已经无法准确的分析和描述其物理变化，必须采用数学手段进行建模分析和求解，在通常情况下会依据初始条件建立基础微分方程，一根据数值计算结果得出所需数值^[1]。

常用的求解方法包括有限差分法、有限元法，两者在实际应用中均有着不错的效果，在此基础上耦合仿真软件应运而生，如常见的ADINA、MARC、ADPRA、CMRE等专业仿真软件，此类软件拥有材料模型库，可以有效处理分析交互信息。各类仿真软件覆盖多个学科系统，但是在电连接器等电子产品的实际数字化设计中系统和应用的集成度低，这些来源不一的软件之间兼容性差，导致现有资源不能得到有效利用，因此有必要构建多场耦合分析系统，进一步提高电子产品的总体设计水平。就电连接器而言，Subtam建立了接触部分模型，利用有限元结构应力演变对多场耦合问题进行研究，其在研究过程中存在复杂性，无法完整描述电磁、温度之间的耦合效应。

二、电连接器电热耦合失效机理分析

随着计算机科学技术的快速发展，各类领域的计算扩展被应用在了多场耦合的分析计算中，其集成运算广泛、高效，是当前常用的数值分析方法。同时，在电联机器电热耦合失效机理分析的过程中，需要分析连接器的稳态热分布，利用通过金属导体接触面宁进行电接触。电接触现象可以有效反应电连接器的实际情况，其基础理论已经大致成型，所以在实际分析过程中需要结合电连接器内部的接触情况，采用计算机数值仿真技术模拟电接触失效，搜集电连接器在工作环境下的接触失效情况，以此提高电连接器的可靠性^[2]。

三、电子连接器的电-热耦合仿真

（一）电热耦合有限元解析过程

有限元法是数值方法，其基本原理是单元组合，针对求解未知场函数及其导数以函数来表示，将无线自由度转换为有限自由度，有限元方法求解的一般过程可分为一下几步：

1. 求解区域的离散化：根据实际问题离散成有限个单元，越小的单元的离散域近似程度越高，需要注意计算时间与计算误差。

2. 进行分片插值：依据每个单元建立试探函数，以几何得到整个求解区域的近似场函数，在此过程中要注意每种单元的规则性。

3. 等参变换：形状不规则的单可以利用等参变换，将新的单元总装形成离散域的总矩阵方程，不断提高单元之间的连续性与协调性。

4. 建立和求解方程组：以微分方程形式建立有限个待定参量的代数方程组，用数值解答，需要根据实际情况改进算法重复计算^[3]。

（二）电热耦合有线元法

研究各个领域产生的热量传递规律，该现象时刻发生在各个工程技术领域。在电子产品的设计生产过程中，需要防止热量变化对产品造成损害，在此过程中需要对热量的准确计算，并对热量传递的结果进行进一步分析，最后的出热流密度分布，依据传热的不同机理与其他方式组成混合的复合传热。

3. 电热耦合仿真电接触

电接触实际上是指两个电导体相互接触，包括两个接触导体闭合，在时间上来看，电接触的闭合到断开是一个动态过程，而过大的电弧会导致电接触部分产生物理化学变化。因此，需要进一步提高电接触组件性能，需要制作相互接触件以传导电流的材料，与其他电导体材料要求不同，该方针电接触要求材料具有良好的抗熔焊性和抗环境介质污染，且在实际应用中可以保持稳定的低接触电阻和温升，以免接触位置会发生材料软化和熔化，进一步提高电接触元件的使用性能。

3. 电热耦合仿真结构模型

从电连接器的安装结构而言，都是由三大元件组成，其中绝缘体作用是固定接触端子位置，壳体是用来保护接触件和绝缘体，根据USB3.0协会标准规范，壳体需要根据标准要求保护电连接器内部，需要在USB3.0电连接器的插接端加上焊接部分的焊点，以此使电流能够有效流通。

（五）电热耦合仿真流程

在多物理场耦合分析中，算性能和数值仿真精度高，且操作较为方便，但计算时间长，在实际应用中需要保留了六面体网格结构算法，使得其在运算过程中不断加快平均速度。在实际应用中需要建立CST电磁工作室，以此对热场瞬态和稳态进行计算，其热场分析是基于电场的电磁损耗。USB3.0的电场分析需要使用CST电磁工作室(CST EMS)和多物理场工作室，以此提高稳恒电流激励，实际USB3.0电连接器也需要借助CST MPS协同仿真，以此准确快速的分析出模拟中电热耦合情况。

（六）电热耦合仿真总结

基于电接触失效原理，采用数据采集对电热耦合仿真进行分析研究，揭示电连接器的变化情况，以此提高电子连接器在应用中的可靠性，具体如下。

1. 电连接器于绝缘体部分进行热交换，温度要比两边部位要高。

2. 电连接器的损耗密度集中，导致焊点达到了连接器的最大温度。

3. 电流越大造成的电损耗增量和温升越大^[4]。

4. 对于电热耦合结果表明，电连接器的温度变化以 900 秒为一个热替换周期，规律为由快到慢。

5. 失效过程中焊点材料基本没有影响，但随着焊点的失效进程增加，有焊点和电连接器的温度随之增大。

6）随着焊点接触界面的失效进程增加，仿真结果近似服从指数关系。焊点失效过程中会随着失效进程而增加，与仿真结果一致，由此可以看出焊点电阻与有效接触面积大小有关。

结束语：

测试技术是研究，开发的基础，通过自动控制和数学控制技术，实现自动，高效的测试、测量。因此，在对电子连接器电热耦合的过程中需要进一步的试验验证分析，并在分析过程中将实际模型和工作情况进行简化，进一步提高实际试验数值的精确度。

参考文献：

[1]袁生地,朱赫,伍能.水下电连接器的热电耦合及热传导分析研究[J].科技创新导报,2019,16(06):99-100.

[2]高成,张芮,黄姣英,等.高温环境下电连接器内部温度有限元仿真分析及试验[J].中国机械工程,2019,30(15):1867-1872.

[3]陈晓宏.基于电-热-机械耦合作用机理的IGBT可靠性模型[J].电气传动,2019,049(006):89-92.

[4]叶丹宏,王超,宋婷婷,等.基于多场耦合条件下的热电池结构件热仿真模拟研究[J].化学工程与装备,2018,000(004):4-6.