接触件是连接器的关键零件。它将来自连接器尾部所连电线和电缆的电压或信号传递到与其相配的连接器对应接触件上。连接器可分离性是区别于其它元件的特性或本质。插针、插孔接触件插合接触界面和与电线电缆端接界面的不确定性,是影响电接触可靠性的关键因素。电接触界面某些离散区域的形成,真正接触并起传导作用区域的构成,决定了连接器电接触可靠性。
图 1 连接器接触件电接触界面结构分类
连接器接触件电接触界面可分为动态接触界面和静态接触界面两类(图 1)。接触件动态接触界面有弹性(针孔)插合、弹簧针或毛钮扣等结构形式,其中弹性(针孔)插合接触件可分为弹性孔和弹性针二类:弹性插孔(开槽式、片簧式、冠簧式或线簧 式等)对应刚性插针;弹性插针(绞线式或片簧式等)对应刚性插孔。每个接触件前端是(针孔)插合的动态电接触界面部位,后端是与导线、印制板等端接的静态电接触界面部位。端接分为可分离(对接或夹接等)和不可分离(焊接、压接、穿刺、绕接、 表面贴装或压入等)二种结构形式。
銅材是制作连接器关键零件“接触件”(俗称端子或接插件)的基础材料,銅材品质直接影响连接器的导电、导热、弹性、寿命、尺寸稳定性、工艺成形性、耐环境和可电镀等性能。在影响电接触可靠性所有因素中,铜材品质是最根本的(表 1)。
表 1 接触件铜材对连接器性能影响
连接器产品现行标准仅规定了接触件的工作直径、镀金层厚度、分离力和保持力等主要技术参数,并未规定铜合金材料牌号、规格和状态。例如国军标 GJB1216[电 连接器接触件总规范规定:最高工作温度 125℃接触件一般使用铜合金,没有规定材料类别。有些连接器产品总规范虽规定插孔接触件选用铍铜或磷青铜,但又规定与详细规范不一致时,以详细规范为准。
铜合金中添加锌、铝、锡、锰、镍等元素固溶强化提高强度之同时,一般都会降低导电率。在导电率-抗拉强度关系图中,不同合金系铜合金处于不同位置。发达国家凭借浓厚的应用基础研究实力,对接触件铜材应用基础研究十分重视和科学严谨。例如在德国 Wieland“连接器用铜带”产品样本中,显示了各种牌号铜合金在导电- 强度图中位置(图 2)[1]。对具有相同冷加工成型性(900好方向,r/t=0.5),具有高热应力松驰性(标识为红色)和具有超细晶粒(标识为蓝色)的铜合金都有详细说明。用户可根据接触件设计所需导电性、强度和工艺成型性等要求,准确选用铜材。

图 2 德国 Wieland 铜合金在导电率-抗拉强度关系图中位置
接触件选材时,应以铜材的表面质量、尺寸偏差、导电性、屈服强度、延伸率、 抗热应力松弛、疲劳强度、耐热性、成型性、耐蝕性、可电镀性和可焊性等特性综合考虑。其中导电性、屈服强度、抗热应力松弛和成型性四个特性尤为重要。连接器接触件常用铜及铜合金牌号、特性和应用(见表 2)。
纯铜(C12200 等)是高导电、高导热应用首 选材料。应用于电缆、总线、免焊 接等接触件。>1.5mm 厚铜板冲压电流导体,用螺钉端接,对接触正压力没特殊要求。
高铜含量合金有铁铜、碲铜、铬锆铜等;铁铜(C19400 等)是同时需较高强度和高导电的首 选材料,常应用于引线框架等。碲铜(C14500 等)具有优良的导电、 导热、抗电蚀性、易切削性和冷热加工性,用于充电桩、新能源汽车、太阳能发电站连接器接触件。铬锆铜(C18150 等)高导电、中强度、高抗应力松驰、抗高温软化, 用于 5G 通讯基站、大电流、新能源汽车连接器弹性插孔和引线框架等。
黄铜(C26000、C27000 等)因添加锌,价格相对较低,添加其它元素后的特殊黄铜(C42500、C68800 等),有助于提高强度和热性能,但会降低耐低温性能、易应力腐蚀开裂、电焊有引起锌蒸发风险。故黄铜和特殊黄铜一般用于非关键接触件。
磷青铜(C51100、C51900、C52100 等)是铜和锡合金,具有良好的强度、成形性和一定抗热应力松驰能力,使用温度可达 1000C。常用于弹性插孔、鱼眼端子及其它信号传输的弹性接触件。德国 Wieland 研制出相同合金成分、超细晶粒尺寸 1-3μm 磷青铜。使其具有高强度同时,兼有良好的加工成形性。在成形性能相同情况下,屈服强度提高 120MPa,并具有更高的抗疲劳性和抗振动性。
铍铜(C17200、C17300 等)具有比一般青铜和黄铜更高的强度水平和良好的综合性能,能满足连接器弹性接触件设计选材的一系列要求,仍是目前制作高可靠连接器弹性接触件的首 选材料。例如高可靠射频同轴连接器通用规范GJB5021A规定:插孔接触件选用鈹铜合金。射频同轴连接器总规范 GJB681(MIL39012)规定:除非另有规定,中心接触件的弹性零件应采用鈹青铜制成[2]。按 GJB598、GJB599 等国军标生产用于航空、航天等领域的高可靠军用连接器,广泛选用国产铍铜 QBe2 或进口 C17200 铍铜丝、棒或带材,制作接触可靠性要求较髙的连接器弹性接触件,通常是加工成形后进行时效硬化处理,获得所需的综合物理特性。
铜镍锡合金(C72500、C72700 等)具有很高强度和很好的抗应力松驰性能同时, 兼有良好成形性。可替代传统铍铜,用于小型化信号连接器、手机中弹片及消费电子和通讯产品中接地弹片。
铜镍硅合金(C70250 等)高强度、中导电和优良的抗应力松驰能力,可替代 Cu-Fe 合金,用于连接器弹性插孔、Type-C 端子、DDR 插槽和引线框架等。
铜镍钴硅合金(C70350 等)添加钴细化晶粒,具有比 70250 更佳的综合性能。可替代铍铜,用于电子通讯设备、汽车连接器和弹簧等。
钛铜(CuTi3.5 等)高强度、低导电、高温性能和抗应力松驰等性能优于铍铜。可替代铍铜在电子行业应用,制作高强度弹簧、触点和手机按键等。

表 2 连接器接触件常用铜及铜合金牌号、特性和应用