1  简述

多芯连接器是一种在电气终端之间提供连接与分离功能的元件，军事、航空航天领域等广泛应用的微波组件，数字电路部分经常通过微矩形多芯连接器来实现与外部控制连接，用于微波电路的馈电与控制。多芯连接器是将多个插针按照一定的排列结构通过玻璃烧结的方式与金属外壳进行集成，相对传统绝缘子连接器来说，在单位面积内可集成的插针数更多，因此具有互联密度高和安装体积小等特点。

多芯连接器有螺钉安装式和焊接式两种，其中焊接式多芯连接器可最大限度地提高输入输出端子的密度，同时焊接式多芯连接器可实现产品封装盒体内的气密性，对于保证军用产品的可靠性具有重要意义。然而在实际生产中，由于多芯连接器选型不当以及焊接工艺等问题，其与盒体之间的气密性难以得到有效保障，主要体现在：

1）焊接时不同材料之间热膨胀系数（CTE）不匹配，导致焊接后焊缝质量不高，局部受残余应力而难以气密；

2）多芯连接器焊接完成后微波组件需要进行激光封焊封盖，而后道激光封焊的热影响区会导致前道电装的多芯连接器焊缝处受热应力而开裂；

3）即便各个工序工艺参数合理，但部分微波组件由于其使用环境恶劣，高低温冲击、随机振动和机械冲击等载荷不可避免，尤其是高低温交变温度载荷导致连接器焊缝处的焊料受周期性拉、压应力，随着蠕变应变的累积最终发生开裂。

图1 焊缝开裂失效

本文针对第3）种情况下多芯连接器焊接后受交变温度载荷时的焊环形变与受力状态进行建模仿真分析，旨在比较不同材料体系、不同连接器结构下焊接工艺的可靠性。

2  产品及模型信息

2.1  连接器信息

对于有散热要求的微波组件，其微波腔体通常采用铝合金材料。本文以两种不同的多芯连接器焊接腔体为例（均为25芯接头），连接器信息如下：

1）A型多芯连接器，某国产型号产品，本身材料为KOVAR材料，通过Sn96.5Ag3.5焊料或Sn63Pb37焊料焊接在铝合金腔体上，但做完温度冲击试验后发现气密性不达标，焊料有裂缝；

图2 A型多芯连接器

2） B型多芯连接器，某国外型号产品，组合型连接器，是铝壳体内通过Sn96.5Ag3.5焊料焊接KOVAR内连接器，而铝壳体外部则通过Sn63Pb37焊料焊接在铝合金腔体上，需要验证这种方法是否在温冲后可以达到气密。

图3 B型多芯连接器

2.2  仿真模型信息

两种不同的多芯连接器焊接到腔体的模型如下，为了提高计算效率，并未考虑整个腔体结构和其它电路板（笔者私下做过对比，采用整个腔体的模型其计算结果和本文相差可忽略，故对模型做了部分切割）。

图4 A型多芯连接器模型

 

图5 B型多芯连接器模型

 （1）假设焊料是均布的，忽略空洞、气泡的影响，对于Sn63Pb37、Sn96.5Ag3.5焊料，分别采用统一粘塑性Anand本构方程，其它材料为线弹性材料，考虑双线性随动强化效应；

图6 Sn63Pb37焊料Anand参数

图7 Sn96.5Ag3.5焊料Anand参数

 

图8 铝合金材料双线性随动强化模型

图9 可伐合金材料双线性随动强化模型

（2）在瞬态结构仿真中施加交变温度载荷，这样的加载方式忽略了传热、对流等因素，即每个时间点上部件均为均匀温度（若考虑实际传热，则需做瞬态热仿真-结构仿真进行耦合，本文暂不考虑）；

图10 温度冲击曲线

（3）分析时取模型两侧的棱边进行线固定约束，分析过程开启大变形（主要考虑到合金的塑性变形）；

（4）网格划分时应注意，焊料部分由于呈环状且厚度较薄，采用扫掠网格（Sweep）划分，其它区域采用多域网格（Multi-zone），注意检查网格质量，控制单元长宽比。

3  仿真结果分析

主要观察弹性/塑性应变、等效应力及剪切应力。

3.1  A型多芯连接器

对于A型结构，多芯连接器与腔体结构件的配合间隙为0.05mm，即焊料厚度为0.05mm。为了便于与后续结果对比，此处提取第三个温度循环处的应变、受力最大值。

3.1.1  Sn63Pb37焊接

图11 A型结构下焊料弹性应变

图12 A型结构下焊料等效应力

图13 A型结构下焊料塑性应变

图14 A型结构下焊料最大剪切应力

本文同样做了Sn96.5Ag3.5焊料焊接后的温度循环受力分析，为了验证焊料不同厚度下的焊接受力状况，本文在保持其它条件不变的情况下，增大了多芯连接器与腔体处的配合间隙，将焊料厚度增加到0.25mm（该厚度视实际工程应用而定，亦可为其它值），仿真结果云图不再列出，最终的仿真数据见3.1.2中列表。

3.1.2  列表对比

3.1部分主要针对A型多芯连接器焊接后温冲过程进行仿真结果分析，分析时考虑了Sn63Pb37焊料、Sn96.5Ag3.5焊料两种焊接材料在0.05mm、0.25mm不同厚度焊接工艺情况下焊环部位的形变和受力状况，结果对比如表1.

表1 A型多芯连接器不同焊料、不同厚度下仿真结果对比

焊料成分	焊料厚度mm	弹性应变mm/mm	等效应力MPa	塑性应变mm/mm	最大剪切应力MPa
Sn63Pb37	0.05	0.0017093	81.732	0.1478	47.049
0.25	0.001508	70.719	0.057927	39.815
Sn96.5Ag3.5	0.05	0.0013476	73.257	0.11694	42.226
0.25	0.0012327	65.658	0.059603	37.295

 由此可见，对于A型多芯连接器，采用Sn96.5Ag3.5焊料时，焊环的受力、应变状态要优于Sn63Pb37焊料，且在同种焊料焊接后的温度循环仿真结果表明，较厚（0.25mm）的焊料量可以有效缓解焊环处的应力及应变。因此，在工程应用中，应注意设计时多芯连接器与腔体间安装时的配合间隙足够，以保证焊接强度和可靠性。

3.2  B型多芯连接器

对于B型结构，多芯连接器采用组合结构，内部连接器芯与铝壳体之间采用Sn96.5Ag3.5焊料焊接（商业购买到的连接器已经完成此道焊接），而铝壳体后续将采用Sn63Pb37焊料焊接至铝合金腔体。仿真后提取第三个温度循环处应变、受力最大值进行对比。

3.2.1  Sn63Pb37焊料

对于外部铝壳体焊接到铝合金腔体部分焊料分析结果如下：

图15 B型结构下Sn63Pb37焊料弹性应变

图16 B型结构下Sn63Pb37焊料等效应力

图17 B型结构下Sn63Pb37焊料塑性应变

图18 B型结构下Sn63Pb37焊料最大剪切应力

3.2.2  Sn96.5Ag3.5焊料

对于内部可伐合金内芯与铝壳体焊接部分焊料分析结果如下：

图19 B型结构下Sn96.5Ag3.5焊料弹性应变

图20 B型结构下Sn96.5Ag3.5焊料等效应力

图21 B型结构下Sn96.5Ag3.5焊料塑性应变

图22 B型结构下Sn96.5Ag3.5焊料最大剪切应力

3.2.3  列表对比

3.2部分针对组合型的B型多芯连接器与腔体焊接后的温冲过程进行仿真分析，分析结果同时考虑内圈焊料（Sn96.5Ag3.5）和外圈焊料（Sn63Pb37）在相同温度载荷下的形变和受力状况，结果如表2.

表2 B型多芯连接器不同焊料处仿真结果

焊料成分	弹性应变mm/mm	等效应力MPa	塑性应变mm/mm	最大剪切应力MPa
Sn63Pb37	0.0012916	61.849	0.02262	35.709
Sn96.5Ag3.5	0.001243	67.427	0.12765	38.873

4  结论

两种不同多芯连接器结构焊接后在经历三次温度循环后的仿真结果比较（A型多芯连接器 & B型多芯连接器）如表3：

表3 A型多芯连接器与B型多芯连接器仿真结果对比

A型连接器	焊料厚度mm	弹性应变mm/mm	等效应力MPa	塑性应变mm/mm	最大剪切应力MPa
Sn63Pb37	0.05	0.0017093	81.732	0.1478	47.049
0.25	0.001508	70.719	0.057927	39.815
Sn96.5Ag3.5	0.05	0.0013476	73.257	0.11694	42.226
0.25	0.0012327	65.658	0.059603	37.295
B型连接器	焊料厚度mm	弹性应变mm/mm	等效应力MPa	塑性应变mm/mm	最大剪切应力MPa
Sn63Pb37	0.25	0.0012916	61.849	0.02262	35.709
Sn96.5Ag3.5	0.25	0.001243	67.427	0.12765	38.873

通过对比可得出以下结论：

1）对于A型连接器，采用Sn96.5Ag3.5焊料时，焊环的受力、应变状态要略优于Sn63Pb37焊料，这与Sn96.5Ag3.5焊料本身的材料属性也有关系；

2）在同种材料下焊环较厚时，焊料应变和受力均得到缓解，合金焊料主要发生塑性应变，弹性应变部分几乎可忽略；

3）采用B型多芯连接器，中间的Sn96.5Ag3.5焊料的受力相比直接用Sn96.5Ag3.5焊接A型多芯连接器要偏大，但偏差不多；但由此带来B型多芯连接器外围锡铅焊料的受力相比直接用锡铅焊接A型多芯连接器要降低4~9MPa，塑性应变由A型结构的0.057927降低为0.02262，可以理解为B型多芯连接器中的Sn96.5Ag3.5焊料起到吸收变形、缓冲应力的作用。

来源： CAE初行者 

作者Outstanding one