摘要 銅材是制作連接器關(guān)鍵零件—接觸件(俗稱端子或接插件)的基礎(chǔ)材料，過去由于缺乏對其應(yīng)用基礎(chǔ)研究，導(dǎo)致高端應(yīng)用領(lǐng)域連接器接觸件銅材長期依賴進口。為減少接觸件銅材對外依存度，實現(xiàn)替代進口目標，本文提出了“創(chuàng)建接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究聯(lián)盟”，“研究與進口銅材差距及對性能影響”，“舉辦接觸件銅材質(zhì)量一致性團體賽”和“制定接觸件銅材行業(yè)標準和選用目錄”等四項建議。
關(guān)鍵詞 接觸件 銅材 替代 進口
1 建議的提出
2023年我國23.77萬億元出口總值中制造業(yè)產(chǎn)品達23.51萬億元，制造業(yè)規(guī)模居世界首位。機電產(chǎn)品13.92萬億元，占出口總值58.6%;出口動能體現(xiàn)了中國制造向中國創(chuàng)造的邁進。電動載人汽車、鋰離子蓄電池和太陽能蓄電池“新三樣”產(chǎn)品合計出口1.06萬億元，首次突破萬億元大關(guān)，增長29.9%[1]。
在取得出口增長業(yè)績同時，值得深思的是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈自主可控方面和發(fā)達國家相比存在明顯差距。作為機電產(chǎn)品基礎(chǔ)元件的連接器，在關(guān)鍵材料、零部件、工藝裝備和檢測儀器設(shè)備等方面對外依存度很高。
銅材是制作連接器關(guān)鍵零件—接觸件(俗稱端子或接插件)的基礎(chǔ)材料，其品質(zhì)是直接影響連接器電接觸可靠性的關(guān)鍵因素。由于我國連接器產(chǎn)品過去以仿制為主，缺乏對接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究，導(dǎo)致高端應(yīng)用領(lǐng)域連接器接觸件銅材長期依賴進口。
為實現(xiàn)高端應(yīng)用領(lǐng)域連接器接觸件銅材“替代進口”目標，必須堅持“問題導(dǎo)向、產(chǎn)需結(jié)合、協(xié)同創(chuàng)新、重點突破”原則，通過創(chuàng)建接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究聯(lián)盟，深刻認識造成與進口同類材料品質(zhì)差距根源以及對接觸件性能影響，舉辦質(zhì)量一致性團體賽和制定接觸件銅材行業(yè)標準和選用目錄等舉措，強化接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究，才能滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的連接器接觸件個性化需求，
特提出以下四項建議：
2 建議一：創(chuàng)建接觸件銅材應(yīng)用研究聯(lián)盟
由于我國連接器行業(yè)沒有經(jīng)歷正向設(shè)計階段，現(xiàn)行連接器接觸件標準中工作直徑、鍍層、分離力和保持力等主要參數(shù)都借鑒國外標準。連接器接觸件選用的銅材牌號、規(guī)格和狀態(tài)等標準溯源也都來自國外。要獨立自主地開發(fā)出能和國外著名品牌抗衡的接觸件銅材，必須通過運行機制改革，將產(chǎn)業(yè)鏈上的材料研究、生產(chǎn)與應(yīng)用等單位合作創(chuàng)建接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究聯(lián)盟，開展制定接觸件銅材行業(yè)標準和優(yōu)選目錄研究。
人才是創(chuàng)建接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究聯(lián)盟的第一要素。開展接觸件銅材智能制造質(zhì)量與可靠性試驗研究，除資金設(shè)備外，人才是關(guān)鍵。目前我國十分緊缺能致力于接觸件銅材可靠性系統(tǒng)工程研究的跨界、跨專業(yè)的系統(tǒng)管理人才，迫切需要接觸件銅材產(chǎn)業(yè)鏈上下游企事業(yè)單位創(chuàng)建接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究聯(lián)盟，通過使用單位、整機企業(yè)提供品牌市場，帶動上游配套連接器和銅加工企業(yè)研制生產(chǎn)。以點帶面試行接觸件銅材選用可靠性工作流程，制定接觸件銅材選用行業(yè)規(guī)范標準，在實踐中培育造就這方面的跨界、跨專業(yè)的系統(tǒng)管理人才。
建議有色網(wǎng)、中電元協(xié)接插件分會及銅加工行業(yè)協(xié)會充分利用“國家強基工程”政策扶持，在大型企業(yè)和高校支持下，構(gòu)建接觸件銅材產(chǎn)業(yè)鏈“多層次人才支撐體系”;包括“線上+線下”“理論+實訓(xùn)”“基地+車間”“學(xué)校+企業(yè)”的人才培訓(xùn)體系和“專家智庫”“專家診斷”“專家評估”“專家建言”的專家協(xié)作機制。為開展跨界“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究，提供有力的人才服務(wù)支撐。
隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新和智能制造技術(shù)發(fā)展，許多“事后檢驗”銅材標準已不適應(yīng)“生產(chǎn)過程質(zhì)量控制”的實際需求。迫切需要在政府主管部委領(lǐng)導(dǎo)和政策支持下，構(gòu)建“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用、金”結(jié)合的“數(shù)據(jù)共享”合作共贏平臺，充分利用接觸件銅材生產(chǎn)過程控制在線數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“線上+線下”“企業(yè)+院所”數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，開展接觸件銅材智能制造質(zhì)量與可靠性試驗研究。例如銅帶厚度偏差對插孔接觸件分離力波動(質(zhì)量一致性)十分敏感。每卷銅帶生產(chǎn)過程中厚度偏差實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對實現(xiàn)接觸件銅帶“替代進口”目標，就是有用信息。圖1為日本原田C5210HQ-H 0.10±0.002mm高彎曲高加工性銅帶連續(xù)厚度實測值。應(yīng)向世界一流銅加工企業(yè)學(xué)習，充分利用智能制造在線檢測數(shù)據(jù)，開展制定在線檢測+定時監(jiān)測的新型質(zhì)量檢驗標準研究。
圖1 日本原田高彎曲高加工性銅帶連續(xù)厚度實測值
接觸件銅材替代進口是一項可靠性系統(tǒng)工程。需經(jīng)歷“目標確定、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、初步試驗、擴大試驗和生產(chǎn)應(yīng)用”六階段和“失效分析、試驗考核、定量設(shè)計和失效預(yù)防”四種應(yīng)用模式(表1)。應(yīng)首先加強銅加工企業(yè)內(nèi)部智能制造流程管理，以下游整機配套連接器需求為導(dǎo)向提高產(chǎn)品良率。通過產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)、科研、應(yīng)用等單位聯(lián)合攻關(guān)，不斷試制應(yīng)用-改進-再應(yīng)用-再改進，直至實現(xiàn)完全替代進口材料目標。
表1 接觸件銅材替代進口可靠性系統(tǒng)工程應(yīng)用模式
3 建議二：研究與進口銅材差距及對性能影響
連接器接觸件合理選材和設(shè)計結(jié)構(gòu)是保證連接器設(shè)計可靠性的重要前提。銅材品質(zhì)對組成接觸電阻的收縮電阻、膜層電阻和導(dǎo)體電阻都有影響。在不同環(huán)境下使用的連接器接觸件插合后接觸電阻，收縮電阻除正壓力取決于設(shè)計結(jié)構(gòu)外，正壓力、表面物理特征和粗糙度都與接觸件銅材品質(zhì)有關(guān);膜層電阻取決于接觸件銅材的耐蝕性和防護鍍層質(zhì)量;導(dǎo)體電阻取決于材料類別，例如有關(guān)標準規(guī)定：1mm的鍍金接觸件接觸電阻，銅合金5mΩ;鐵合金15mΩ。圖2列出了影響連接器接觸件接觸電阻的因素。
圖2 影響連接器接觸件接觸電阻的因素
表2列出了接觸件銅材對連接器性能影響。表3列出了國產(chǎn)和進口同類接觸件銅材的主要差距。
表2 接觸件銅材對連接器性能影響
表3 國產(chǎn)和進口接觸件銅材差距
1)厚度(直徑)偏差
日本原田C5210HQ-H 0.08—0.15mm銅帶厚度偏差：±0.002mm。
我國國標GB/T17793-2010加工銅及銅合金外形尺寸及允許偏差：0.20-0.30mm銅帶厚度偏差：普通級±0.030mm，高級±0.020mm。
GB/T34497-2017端子連接器接觸件用銅及銅合金帶箔材：
0.10mm銅帶厚度偏差：普通級±0.005mm，高級±0.003mm(表4)。
表4 不同銅合金帶材標準的厚度偏差
插孔片簧厚度偏差對接觸正壓力作用成三次方影響。帶材厚度更薄或絲材直徑更小時，低的厚度(直徑)偏差對保證連接器接觸件使用穩(wěn)定性意義更大。厚度偏差越大，導(dǎo)致材料存在內(nèi)應(yīng)力不均勻，是插孔應(yīng)力松弛、降低接觸正壓力的主要原因。
2)表面粗糙度
接觸件銅材表面越粗糙，有效接觸面積越小。針孔插拔時，表面越粗糙，磨損越嚴重。接觸件多次插拔后配合間隙增大，降低接觸正壓力，增大接觸電阻，導(dǎo)致連接器溫升增加。交流電或交變磁場導(dǎo)體表面有趨膚效應(yīng)，表面粗糙會影響接觸件表面電流及信號傳輸。
表面粗糙降低連接器接觸件抗腐蝕性能，使其無法嚴密與塑料層貼合，腐蝕氣體或液體會通過接觸件界面縫隙或表面微觀凹谷滲漏，影響密封性和抗腐蝕性能。表面粗糙，在微細接觸件表面會存在較大波峰波谷落差，容易引起應(yīng)力集中，降低連接器接觸件疲勞強度與使用壽命。
日本原田青銅帶粗糙度C5210HQ-EH 0.06mm Ra =0.049㎛ (圖3)。我國國標GB2059-2017銅合金帶材、GB/T34497-2017端子連接器用銅及銅合金帶箔材標準，對表面粗糙度無規(guī)定。
圖3 日本原田C5210HQ-EH 0.06mm顯微組織和表面粗糙度曲線
3)顯微組織
銅材顯微組織對連接器接觸件力學(xué)性能、工藝性能和耐腐蝕性影響明顯。晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多，需協(xié)調(diào)的各向異性越明顯，使金屬塑性變形抗力越高，即強度和硬度越高。反之晶粒粗大，晶粒各向異性明顯，由特定晶粒中應(yīng)力集中引起的破壞性越大。
我國國標GB2059-2017銅合金帶材標準晶粒平均直徑：僅部分牌號黃銅帶材(軟狀態(tài))15μm，對青銅帶材無規(guī)定。
日本原田伸銅、JX日礦金屬的磷青銅帶實測晶粒度都在2-3μm左右(高強度、高加工性)(圖3)。我國博威、興業(yè)盛泰、唯精、紫金等銅加工龍頭企業(yè)，通過引進世界一流生產(chǎn)工藝裝備和多年應(yīng)用基礎(chǔ)研究，目前也能生產(chǎn)此類替代進口的高強度、高加工性、超細晶粒銅帶。
4)力學(xué)性能
接觸件銅材選用時要滿足80%屈服強度大于接觸件零件許用應(yīng)力要求，屈服強度比抗拉強度更重要。連接器常因接觸件材料應(yīng)力松弛，造成接觸不良或瞬間斷電。接觸件銅材抗應(yīng)力松弛性能，是決定其能否可靠應(yīng)用的重要技術(shù)特性。常用高溫150℃、保持1000h后殘留應(yīng)力保持率來判定銅材應(yīng)力松弛性能。國內(nèi)外大型銅合金生產(chǎn)企業(yè)對此都開展深入系列研究，并為用戶提供不同牌號材料各種恒定高溫承載狀態(tài)下的應(yīng)力松弛曲線。
5)物理性能
銅材的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)、彈性模量等物理性能，也是決定能否應(yīng)用于接觸件的重要依據(jù)。
近年來隨著新能源汽車普及應(yīng)用，因電源連接器接觸不良溫升導(dǎo)致燃燒案例頻發(fā)，人們對溫度壽命測試十分關(guān)注。其中高溫加速壽命測試主要是讓連接器接觸件銅材應(yīng)力松弛加速、鍍層氧化加速和絕緣體老化加速，驗證其一定使用年限后連接器接觸性能是否可靠。
6)工藝性能
接觸件銅材要滿足不同規(guī)格、狀態(tài)、部位和取樣方向成型要求，沖壓、壓接、折彎、纏繞等工藝性能比延伸率更重要。
低厚度偏差、細晶結(jié)構(gòu)、低內(nèi)應(yīng)力、精細表面是沖壓、壓接、折彎、纏繞等良好工藝性能的基礎(chǔ)保證。例如智能手機在有限空間內(nèi)要求功能越來越復(fù)雜，涵蓋VCM蝕刻的扭矩平衡彈片和背板連接器等元器件更精微細密，對相應(yīng)銅材滿足功能要求同時越來越薄。5G手機中的背板連接器高度僅0.7mm、板厚0.06mm，扁平狹窄的空間、復(fù)雜彎曲形狀。在保持銅材高強度、高彈性同時，必須具有優(yōu)良的工藝成形性能(圖4)。手機VCM彈片用高性能銅合金箔帶厚度可薄至0.02mm，厚度偏差不超過±5%/100mm長度。目前全球僅少數(shù)幾家供貨商能提供穩(wěn)定的精密超薄材料[2]。
圖4 5G手機中背板連接器剖圖
7)質(zhì)量一致性
接觸件銅材同批次、不同批次、不同溫度環(huán)境和長時間使用后的質(zhì)量一致性，是保證連接器穩(wěn)定可靠使用非常重要的基礎(chǔ)研究內(nèi)容。目前還很少有單位和個人能靜下心來，專注于接觸件銅材質(zhì)量一致性的實際數(shù)據(jù)積累和分析研究。高端應(yīng)用領(lǐng)域接觸件銅材和進口同類材料質(zhì)量一致性差距明顯。由于國產(chǎn)接觸件銅材質(zhì)量不穩(wěn)定影響可靠使用，往往成為許多用戶改選進口材料的原由。
4 建議三：舉辦接觸件銅材質(zhì)量一致性團體賽
“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃(2021-2023)”指出：要推動形成各方積極參與的團體賽模式。企業(yè)不能單打獨斗。要充分調(diào)動工業(yè)企業(yè)、基礎(chǔ)電信企業(yè)、工業(yè)軟件企業(yè)、工業(yè)控制企業(yè)、設(shè)備制造企業(yè)、解決方案提供商等各方積極性，推動形成主體多元、協(xié)同創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)和“團體賽”模式。
連接器企業(yè)產(chǎn)品要爭創(chuàng)“世界一流品牌”，必須從基礎(chǔ)材料和零件的品質(zhì)抓起，深刻認識與進口同類銅材品質(zhì)存在差距的根源。建議在政府主管部門領(lǐng)導(dǎo)下，行業(yè)協(xié)會牽頭聯(lián)合工信部電子四院、五所等標準和質(zhì)檢第三方組織舉辦“接觸件銅材質(zhì)量一致性”團體賽。接觸件銅材產(chǎn)業(yè)鏈上數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級已取得成效的上下游企業(yè)都可報名參加(圖5)。
圖5 “接觸件銅材質(zhì)量一致性”團體賽流程
由不涉參與方利益的專家組成評委會，以NGK等世界一流品牌同類產(chǎn)品質(zhì)量標準為標桿，按評判標準給各參與單位給予評分和評價。舉辦團體賽宗旨是通過“比、學(xué)、趕、幫、超”，為實現(xiàn)“替代進口”目標，制定接觸件銅材行業(yè)標準和優(yōu)選目錄提供科學(xué)依據(jù)。
5 建議四：制定接觸件銅材行業(yè)標準和優(yōu)選目錄
接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究是一項耗資大、見效慢的可靠性系統(tǒng)工程。必須由政府通過政策和資金扶植，牽頭組織“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”五方面大協(xié)作，任何企業(yè)單方面都無能力勝任這項工作。
以高端應(yīng)用領(lǐng)域連接器接觸件緊缺銅材需求為導(dǎo)向，接觸件銅材產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)聯(lián)合研究制定“接觸件銅材行業(yè)標準和優(yōu)選目錄”，這是合作開展“接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究”最好的切入點。
圖6 接觸件銅材選用行業(yè)標準體系
必須加強接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究流程管理，制定接觸件銅材合格鑒定規(guī)程。從整體的特性、功能、目標出發(fā)，緊密結(jié)合應(yīng)用去研制設(shè)計接觸件銅材產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)各組成部分的參數(shù)和性能，以求得最佳組合。根據(jù)“接觸件銅材選用總規(guī)范”要求，接觸件銅材產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)合作制定為連接器生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)連接器量身定制配套的“接觸件銅材選用詳細規(guī)范”。通過建立“接觸件銅材選用行業(yè)標準體系”(圖6)，從基礎(chǔ)源頭使我們中國人自己明白接觸件銅材選用的科學(xué)依據(jù)。
經(jīng)多次試驗考核和數(shù)據(jù)積累分析，詳細規(guī)范中應(yīng)對“宇航級”“軍品級”和“工業(yè)級”等不同質(zhì)量等級的接觸件銅材試驗項目，分別規(guī)定不同的判定合格指標。例如簧爪插孔接觸件，沖壓簧爪零件的銅帶厚度偏差對接觸正壓力作用成三次方影響。不同質(zhì)量等級銅帶厚度偏差將直接影響簧爪插孔分離力的質(zhì)量一致性(表5)[3]。
表5 不同質(zhì)量等級銅帶厚度偏差的簧瓜插孔分離力
建議在制定接觸件銅材選用行業(yè)標準體系同時，為滿足高端應(yīng)用領(lǐng)域連接器接觸件銅材的選用需求，按材料性能、質(zhì)量等級和設(shè)計結(jié)構(gòu)編制接觸件銅材優(yōu)選目錄;包括材料類別、牌號、規(guī)格、狀態(tài)、用途和優(yōu)選生產(chǎn)企業(yè)等。
制定接觸件銅材行業(yè)標準和優(yōu)選目錄，實現(xiàn)高端應(yīng)用領(lǐng)域連接器接觸件銅材替代進口目標是一項耗資巨大、見效慢的國家基礎(chǔ)系統(tǒng)工程。鑒于接觸件銅材產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)保護、專利和保密等原因，要構(gòu)建接觸件銅材產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)據(jù)共享平臺，培育新型跨界致力于接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究和可靠性系統(tǒng)工程的專業(yè)和管理人才，實現(xiàn)接觸件銅材產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)間合作，目前還存在許多瓶頸和短板。
6 結(jié)束語
創(chuàng)建接觸件銅材應(yīng)用基礎(chǔ)研究聯(lián)盟，研究與進口接觸件銅材差距及對性能的影響，舉辦接觸件銅材質(zhì)量一致性團體賽和制定接觸件銅材行業(yè)標準和優(yōu)選目錄，是擺在我們面前為實現(xiàn)接觸件銅材“替代進口”目標，必須完成的四項長期而艱巨任務(wù)。
今天兩會的關(guān)鍵詞是“新質(zhì)生產(chǎn)力”。接觸件銅材“替代進口”，是發(fā)展“新質(zhì)生產(chǎn)力”的基礎(chǔ)，也是提升綜合國力的實事工程。我寄希望于年輕后輩!寄希望于真正實現(xiàn)民族復(fù)興的日子早日到來! |
