摘要

汽車制造商已經(jīng)將更多的電子技術(shù)構(gòu)建到具有動力總成電氣化的車輛中，并且越來越復(fù)雜的駕駛輔助系統(tǒng)加速了這一趨勢。因此，許多具有多個印刷電路板的傳感器驅(qū)動控制單元現(xiàn)在具有數(shù)千公里的新布線和指數(shù)級數(shù)量的新連接，所有這些都在密集的汽車架構(gòu)中爭奪空間。與此同時，越來越多的趨勢是輕量化部件，以提高燃油效率和更環(huán)保的汽車。

因此，制造商需要找到更智能的電子解決方案，以節(jié)省空間和減輕重量。工業(yè)制造商正在車內(nèi)廣泛采用小型化連接器，因為控制單元內(nèi)的導線尺寸和封裝空間已經(jīng)縮小。在某些情況下，所謂的“黑盒”組件包括非汽車微型連接器。它們?nèi)狈ζ噽毫迎h(huán)境的魯棒性，從而產(chǎn)生了一些模塊的質(zhì)量問題，并在某些情況下導致組件故障。

汽車OEM需要確保其采購的子系統(tǒng)模塊配備真正的汽車級連接器——旨在符合LV214(歐洲)和USCAR2(美國)等規(guī)范和驗證要求。

在本文中，我們將研究制造商如何通過使用提供真正汽車級穩(wěn)健性的微型連接器，來實現(xiàn)戰(zhàn)略性節(jié)省空間的目標。具體來說，我們研究了TE Connectivity的兩個用于汽車應(yīng)用的小型化互連平臺：NanoMQS和MCON 0.50互連系統(tǒng)，審視它們?nèi)绾畏闲袠I(yè)規(guī)范，提供關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢，并節(jié)省高達50%的空間。我們還考慮了其他因素，這些因素有助于實現(xiàn)小型化元件的堅固性，例如小線壓接質(zhì)量，并討論如何解決高密度PCB引腳連接上的金屬晶須生長所帶來的風險。

一、新的ECUS必須滿足更嚴格的汽車要求

聯(lián)網(wǎng)汽車變革正在我們眼前發(fā)生。該行業(yè)正在迅速發(fā)展，動力總成電氣化和先進的駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的開發(fā)提供了更大的舒適性和安全性，以及變得越來越復(fù)雜和強大的集成的車輛到一切(V2X)連接。所有這些新子系統(tǒng)都支持硬件、傳感器和軟件。但是，它們必須通過一系列聯(lián)網(wǎng)的電子控制單元(ECU)或通過新的完全冗余的計算系統(tǒng)方法物理地集成到車輛中。

雖然自動駕駛汽車功能正在快速增長，但汽車架構(gòu)是空間受限的環(huán)境。制造商要求他們的合作伙伴提供更輕、更小型化的組件，以便在越來越多的ECU中釋放急需的電線連接空間。

典型的豪華車包含多達80個ECU，每個ECU的復(fù)雜程度都在不斷提高。每個ECU包含至少一個印刷電路板(PCB)和安裝在PCB上的單個插頭。

ECU可以容納多達數(shù)百個電線連接，這些連接又包含在復(fù)雜的線束系統(tǒng)中。此外，現(xiàn)有應(yīng)用變得越來越復(fù)雜，在車輛中引入了更多功能和ADAS。例如，新的LED前照燈單元最多可包含60個電路、15個連接器和120個端子。

在將所有這些ECU或模塊連接到車輛布線系統(tǒng)時，汽車制造商遇到技術(shù)挑戰(zhàn)。他們必須確保它們保持連接和功能，以抵抗諸如振動、液體進入和車輛線束或不同子系統(tǒng)模塊中的極端溫度等不利條件，這些都可能中斷安全連續(xù)操作。

二、微型互連平臺如何實現(xiàn)創(chuàng)新

這些行業(yè)和技術(shù)趨勢需要下一代小型化互連平臺，以節(jié)省空間、保持燃油效率并確保性能。為確保汽車級的魯棒性，所有連接器和組件必須符合全球OEM規(guī)范，如LV214和USCAR2。幸運的是，這些解決方案已經(jīng)在市場上出售。

本文探討了TE Connectivity(TE)解決方案，該解決方案可在車輛電氣布線架構(gòu)中實現(xiàn)空間節(jié)省，重點介紹NanoMQS端子和連接器(這是非常成功的MQS系列的較小產(chǎn)品)，以及MCON 0.50互連器(對標“凈體”產(chǎn)品)。此外，本文還研究了較小導線的特定壓接挑戰(zhàn)和要求，以及金屬晶須在高密度PCB引腳連接上生長的挑戰(zhàn)。

三、用于微型汽車連接的TE解決方案

TE最初的MQS互連系統(tǒng)是在20多年前推出的。它已成為業(yè)界最成功的汽車互連解決方案之一，因其2.54毫米間距的高封裝密度和高度穩(wěn)健的汽車級設(shè)計，并且具有兩個鎖定水準。幾乎所有歐洲汽車制造商和全球眾多汽車制造商都使用該系統(tǒng)。

多年來，隨著Micro-power Quadlok(MpQ)和功率Quadlok(pQ)系列的推出，MQS平臺得到了擴展，可以承載更高的電流(圖1)。

圖1. MQS產(chǎn)品系列

四、NanoMQS端子和連接器

基于MQS端子設(shè)計，NanoMQS互連系統(tǒng)的推出旨在滿足制造商對ECU和PCB等電子元件小型化的需求。NanoMQS互連系統(tǒng)采用小型化端子(觸點)、連接器和接頭，以解決密集的車輛電子設(shè)備問題。

圖2. NanoMQS端子

這種設(shè)計可將PCB占位面積減少約50%，同時提供高達3安培的額定電流容量。此外，NanoMQS互連系統(tǒng)可以容納小至0.13 mm2的導線橫截面，使得制造商在需要時可減少線束重量。

密封版NanoMQS系統(tǒng)還具有高達400 g的高度抗振性能。

五、汽車級微型端子提供可靠的性能

NanoMQS互連平臺的核心是單片式壓接端子(圖2)。

插座觸點的標準版本由鍍錫銅制成。它有從0.13 mm2、0.17 mm2、0.22 mm2到0.35 mm2的導線交叉部分。插座觸點設(shè)計用于0.5 x 0.4毫米的接觸刀片。

?帶鍍錫端子的型號經(jīng)認證適用于-40°C至130°C的環(huán)境溫度。

?帶鍍銀端子的型號可在高達170°C的條件下使用，因此適用于發(fā)動機艙區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用。

?帶鍍金端子的型號可使插拔次數(shù)增加100次。它還顯著降低了金屬腐蝕的可能性，延長了接觸壽命和安全氣囊系統(tǒng)等安全應(yīng)用的可用性。

NanoMQS端子和連接器的標稱載流量高達3安培。但是，它也可以支持高達標稱限值五倍的短峰值。當插拔時，插座觸點通過強大的L形彈簧與相應(yīng)的刀片建立兩個電接觸點，該彈簧施加高法向力。

NanoMQS插座觸點采用封閉式設(shè)計接觸腔，與外殼上相對較大的引入倒角配合使用，確保導向插入平穩(wěn)。這防止了刀片在配合期間與插座接觸件碰撞(“短路”)，這可能由于不正確的插入而變形并損壞接觸槍。

在端子的頂部是一個鎖定噴槍，一旦端子完全插入，該鎖定噴槍可聽見且有形地鎖定在塑料外殼上。鎖定矛桿為兩級接觸保持系統(tǒng)提供主鎖定機構(gòu)。通過切口可以看到鎖定孔，使制造商能夠確認噴槍是否正確插入(圖3和圖3A)。主鎖定裝置的最大插入力為5N，最小保持力為25N。第二獨立的二級鎖定裝置，其鎖定在殼體上的底切上，使得保持力大于50N。

圖3：NanoMQS鎖定機制

圖3A：突出顯示NanoMQS鎖定機制

六、NanoMQS極化鎖定機制可防止不正確的插入

盡管尺寸小，但端子具有提供極化橫截面的接觸腔。這種設(shè)計意味著可以有效消除不正確插入的風險，并且可以安全方便地處理NanoMQS系統(tǒng)。與MQS平臺一樣，NanoMQS平臺設(shè)計具備20個插拔周期?？蛻艨梢赃x擇是通過手動裝配還是全自動插入，將端子放入塑料連接器外殼中。

七、高等級熱塑性連接器殼體和頭部的兩種選擇

NanoMQS外殼組件(接頭和連接器)由高級熱塑性塑料制成。有兩種版本，Top Latch(TL)和Side Latch(SL)，它們都可以垂直或平行于PCB。兩個版本之間的顯著差異是TL版本的鎖定裝置的位置，其位于殼體頂部的中央(圖4)。

圖4：NanoMQS接觸的極化

NanoMQS外殼——頂部閂鎖(TL)版本

TL版本的中央鎖定裝置位置使得更容易并排安裝連接器，從而提高了包裝靈活性。例如，在開發(fā)新型號時，最初可以并排安裝三個通用連接器，以建立多達96個引腳的高位互連。 然后，制造商可以在不改變技術(shù)的情況下切換到單個客制化部件。

在TL版本中，外殼剛度通過2個至32個位置的肋條加強。肋骨的主要作用是增加20個位置以上版本的鎖定選項。

NanoMQS外殼——側(cè)面閂鎖(SL)版本

在稍微緊湊的SL版本上，鎖定裝置位于外殼的側(cè)面(圖5)。使用SL版本，該設(shè)備可以鎖定在多達20個位置，而無需加固肋條。此外，塑料鎖定和鎖定型材具有緊湊的幾何形狀。例如，連接器和頭部前端之間的重疊具有楔形形狀，以確保在連接器配合期間兩個半部的平滑引導。當完全插拔時，重疊導致由兩個彼此固定的楔形形成的強大的正連接。

圖5. NanoMQS外殼：頂部鎖定和側(cè)面鎖定版本

圖6：NanoMQS頭(左)與MQS頭相比較。

八、NanoMQS端子如何縮減50%的空間

NanoMQS系列端子設(shè)計為標稱間距，對應(yīng)于與PCB連接的引腳之間的距離為1.8毫米。因此，與MQS端頭需求相比，NanoMQS端頭上相同數(shù)量的位置僅需要大約一半的空間(圖6)。

如圖所示，使用NanoMQS系統(tǒng)，MQS平臺的端頭占位面積從840 mm2減少到411 mm2。顯然，具有顯著封裝密度的下一代汽車架構(gòu)將需要高位互連。在發(fā)動機ECU中，Nano-MQS端子可以節(jié)省60%的ECU占位面積。目前的NanoMQS端子版本最多可容納320個位置。這使得NanoMQS平臺非常適合混合連接器，因為MQS系列的每個觸點都可以作為下一個尺寸的倍數(shù)集成到網(wǎng)格中(圖7)。二級鎖定裝置在所有殼體上處于同一水平面上，使其具有縮減空間的能力。

圖7：NanoMQS頭(左)與MQS頭相比較。

九、NanoMQS平臺如何支持四級高抗振性

車輛內(nèi)的電氣連接必須保持抗振動和抗沖擊性。諸如NanoMQS互連系統(tǒng)之類的小型化組件通常部署在子系統(tǒng)模塊(稱為“黑匣子”)中，在難以接近的嚴重空間受限的空間中。

在歐洲，德國主要汽車制造商定義了LV 214等規(guī)格的振動測試等級。NanoMQS系列的標準未密封版本符合LV214 4級(鍍銀觸點)，有效加速度約為181 m / s2。

這是值得注意的，因為NanoMQS系統(tǒng)滿足密封連接器的要求。憑借NanoMQS系統(tǒng)的高接觸法向力，帶有附加密封的連接器可實現(xiàn)三級振動，可實現(xiàn)近距離安裝，并可在發(fā)動機直接安裝時實現(xiàn)四級振動(圖8)。NanoMQS端子和連接器設(shè)計堅固，還可滿足400 g竇振動阻力要求，如噴射閥或其他直接發(fā)動機安裝應(yīng)用所規(guī)定的那樣。

圖8. NanoMQS系統(tǒng)，密封版外殼

十、為極端惡劣的汽車環(huán)境引入MCON 0.50互連系統(tǒng)

MCON 0.50互連系統(tǒng)是TE MCON互連產(chǎn)品系列的一部分，該產(chǎn)品系列專為在惡劣的汽車環(huán)境中部署而設(shè)計。它是一個密封系統(tǒng)，采用特殊設(shè)計的硅膠密封圈。這些密封件可防止液體和濕氣進入電氣接觸區(qū)域，這對于發(fā)動機艙區(qū)域中的應(yīng)用是必需的。MCON 0.50端子和連接器滿足LV214 3級近距離安裝要求和4級直接發(fā)動機安裝要求。它還實現(xiàn)了IP9級別的防水保護。

與NanoMQS互連系統(tǒng)和MCON系列的其余部分不同，MCON 0.50端子設(shè)計沒有主鎖定噴槍，提供所謂的“凈體方法”(圖9)。

圖9. MCON 0.50系統(tǒng)“凈體設(shè)計”

這意味著沒有從連接器伸出的法蘭將其鎖定在殼體內(nèi)的適當位置，從而形成更清潔的車身輪廓。該設(shè)計旨在最小化連接器殼體內(nèi)部的任何磨損，因為這可能損害濕氣密封。密封版本提供最高水密性和防潮性。MCON 0.50系統(tǒng)可以浸沒在幾米深的水中，并從IPX蒸汽噴射器中吸收80巴的力。

表1：NanoMQS和MCON 0.50平臺的尺寸和性能

十一、工具在自動處理中的作用

小型化汽車級元件的挑戰(zhàn)可延伸到電線端接和壓接過程。采用更小的電線端子，應(yīng)用工具在確保高性能連接和真正的汽車抗振性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

為什么較小的線路更難以壓接?

本質(zhì)上，小型化的端子由較薄的材料構(gòu)成，這意味著它們在壓接過程中更容易變形或變形。這還意味著閃光的存在或突起形式的卷曲變形變得更加顯著，因為它可以形成整個端子輪廓的更大百分比。這是有問題的，因為閃光可能妨礙插入或損壞連接器殼體，特別是其密封部件。小線應(yīng)用通常需要較小的工具間隙以避免產(chǎn)生明顯的閃光。工具間隙是指當兩者處于壓接高度時壓接器和砧座之間的閃光擒縱空間。作為參考，小至0.05 mm的加工間隙可以為壓接寬度為1.00 mm的端子產(chǎn)生明顯的閃光。

較小的尺寸還使得在壓接過程中將導線準確地定位在端子內(nèi)更具挑戰(zhàn)性。小規(guī)格的導線剛性較小，使其易于下垂或彎曲，從而妨礙插入端子。類似地，在壓接施加工具內(nèi)將端子對準砧座更加困難。

壓接不對稱是低質(zhì)量壓接的另一個特征，可能導致電氣和機械性能降低。端子在鐵砧上的不精確放置是不對稱和閃光的主要原因。這種不準確性可能是由不正確的設(shè)置或不合標準的端子饋送機制引起的。通常，高質(zhì)量的氣動進料施加比機械或低質(zhì)量的氣動進料施加更能產(chǎn)生準確的結(jié)果。

小線和小型端子的應(yīng)用工具

用于小線壓接的TE施加使用高精度氣動或伺服進給機構(gòu)。這些機制使用戶能夠輕松地設(shè)置初始端子對準，并在施加使用時保持一致的對準。

TE在開發(fā)階段早期與合作伙伴合作開發(fā)完整的組件和工具解決方案，以滿足獨特的應(yīng)用需求。TE根據(jù)汽車標準對這些組件和工具解決方案進行預(yù)測試，以便最終用戶獲得他們可以完全依賴的整體認證解決方案。

OCEAN施加2.0如何改善小線壓接

OCEAN施加2.0是TE系列施加中的最新產(chǎn)品，具有多項升級設(shè)計，可改善小線壓接(小于0.35 mm2)。一般設(shè)計優(yōu)勢包括優(yōu)化的砧座幾何形狀，用于防止砧座未對準的釘扎底板，以及新的黑色氮化表面，可顯著提高耐磨性(圖10)。

圖10. TE的OCEAN 2.0施加

TE開發(fā)了一些功能來輔助小線壓接，包括更容易的進給調(diào)整和帶狀導向鎖的改進。除了新的優(yōu)化砧座幾何外，OCEAN施加2.0還采用了新的System 3端子壓緊機制，以確保準確和穩(wěn)定的端子定位。它還提供堅固的壓接高度調(diào)節(jié)功能，以及鎖定機制。

制造商可以通過標準壓接監(jiān)控系統(tǒng)對自動壓接過程進行質(zhì)量控制和驗證，這些系統(tǒng)也適用于細線。此外，TE CrimpData應(yīng)用程序使合作伙伴能夠?qū)ψ詣訅航舆^程進行有效的無線監(jiān)控，包括監(jiān)控循環(huán)次數(shù)設(shè)置報警以進行維護和更換備件。

TE的手動壓接工具提供與自動電線端接完全相同的壓接連接質(zhì)量。此外，手動工具的良好人體工程學設(shè)計使其可以在狹窄的空間內(nèi)使用。

十二、抗晶須壓接引腳電鍍

小型化的趨勢也增加了行業(yè)對防止金屬晶須形成的解決方案的需求。車輛中越來越多的電子產(chǎn)品使得元件制造商將印刷電路板(PCB)連接的壓合技術(shù)用作焊料解決方案的可靠替代品。電鍍適用于壓接銷，以便于潤滑并防止由于氧化和其他原因造成的表面損壞。如今，這些電鍍?nèi)芤褐饕慑a(Sn)組成。

圖11.從壓接銷生長的錫須

然而，錫對晶須生長具有高度敏感性。當錫膜受到應(yīng)力時，例如當它插入PCB時，錫須可以從頭發(fā)狀結(jié)構(gòu)中自發(fā)生長。由于錫晶須是金屬，它們是導電的并且可以長到足以橋接到其他金屬部件。在極端情況下，它們可能會引起電子操作短路。在過去，通過在電鍍中加入鉛來解決該問題。

鉛已經(jīng)逐步退出制造流程，因為它會損害環(huán)境。由于汽車制造商正在減少引腳間并采用主要由錫制成的引腳電鍍解決方案，他們正在尋找新的替代品來降低錫須形成的風險。

LITESURF鍍層

TE的LITESURF電鍍技術(shù)是一種用于壓接應(yīng)用的抗晶須電鍍。它為汽車電子制造商提供了錫的替代品，幾乎沒有晶須生長的風險。由于是基于鉍(Bi)，它具有環(huán)境可持續(xù)性，完全無害。

LITESURF電鍍技術(shù)是經(jīng)過五年多研究和開發(fā)的成果，旨在研究無錫電鍍，以減輕晶須引發(fā)故障的風險，并適用于壓接銷連接的高應(yīng)力條件。LITESURF電鍍的開發(fā)是為了滿足制造商對逐步小型化、減小引腳間距以及在PCB上使用更小的連接器尺寸的需求。

隨著TE的LITESURF電鍍技術(shù)的不斷開發(fā)，研究了超過12種不同的沉積物組成，研究了晶須形成以及影響生產(chǎn)過程(如熔化溫度)的其他行為特征。TE專家創(chuàng)建了所有選項的詳細矩陣。TE研究得出結(jié)論，電鍍的最佳沉積物是電鍍的鉍基涂層。使用鉍具有額外的好處，它使得制造商可以使用遵循典型的電鍍線工藝的應(yīng)用工藝，該工藝與標準錫浴相當?；阢G的LITESURF電鍍可以在現(xiàn)有的電鍍生產(chǎn)線中實施，而無需任何額外的工藝變化。對超過5,600個多彈簧和動作銷以及三種不同類型的PCB技術(shù)進行了廣泛的LITESURF電鍍測試。測試表明，根據(jù)檢測到的顆粒的數(shù)量和大小以及鉍的較低電導率(比錫的電導率低90%)，LITESURF電鍍可以將晶須發(fā)生率降低1,600倍以上。

圖12.LITESURF抗晶須電鍍組合物

結(jié)論

自從卷曲發(fā)明以來，TE一直與汽車制造商合作，共同創(chuàng)建領(lǐng)先的連接解決方案，為創(chuàng)新和性能樹立行業(yè)標準。如今，汽車中電子技術(shù)的快速增長以及對小型化技術(shù)的需求帶來了新的挑戰(zhàn)，需要更加技術(shù)先進的解決方案和真正的汽車級堅固性。TE在開發(fā)過程的早期繼續(xù)與客戶互動，并作為共同創(chuàng)建解決方案的真正合作伙伴，使車輛更智能，更安全。

TE能夠為端子、連接器、接頭和壓接技術(shù)以及共同開發(fā)的應(yīng)用工具提供連接解決方案。這些解決方案可以將組件的PCB占用空間減少多達50%，同時作為具有預(yù)驗證接口的系統(tǒng)的一部分進行無縫互操作。此外，TE的小型互連系統(tǒng)專為惡劣環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計，滿足LV214振動要求和防水等IP9級別。

TE能夠在內(nèi)部支持產(chǎn)品開發(fā)的所有方面。TE完全控制產(chǎn)品設(shè)計和驗證的所有制造階段;開發(fā)，包括沖壓、模塑、電鍍和組裝;以及測試、質(zhì)量保證、應(yīng)用和客戶支持。這意味著我們可以提供更大的制造量靈活性，在關(guān)鍵流程的每個階段提供高質(zhì)量的保證，并保證更快和受控的交貨時間。

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作者：TE Connectivity公司