汽车连接器节省空间的策略和解决方案

摘要

汽车制造商已经将更多的电子技术构建到具有动力总成电气化的车辆中，并且越来越复杂的驾驶辅助系统加速了这一趋势。因此，许多具有多个印刷电路板的传感器驱动控制单元现在具有数千公里的新布线和指数级数量的新连接，所有这些都在密集的汽车架构中争夺空间。与此同时，越来越多的趋势是轻量化部件，以提高燃油效率和更环保的汽车。

因此，制造商需要找到更智能的电子解决方案，以节省空间和减轻重量。工业制造商正在车内广泛采用小型化连接器，因为控制单元内的导线尺寸和封装空间已经缩小。在某些情况下，所谓的“黑盒”组件包括非汽车微型连接器。它们缺乏对汽车恶劣环境的鲁棒性，从而产生了一些模块的质量问题，并在某些情况下导致组件故障。

汽车OEM需要确保其采购的子系统模块配备真正的汽车级连接器——旨在符合LV214(欧洲)和USCAR2(美国)等规范和验证要求。

在本文中，我们将研究制造商如何通过使用提供真正汽车级稳健性的微型连接器，来实现战略性节省空间的目标。具体来说，我们研究了TE Connectivity的两个用于汽车应用的小型化互连平台：NanoMQS和MCON 0.50互连系统，审视它们如何符合行业规范，提供关键技术优势，并节省高达50%的空间。我们还考虑了其他因素，这些因素有助于实现小型化元件的坚固性，例如小线压接质量，并讨论如何解决高密度PCB引脚连接上的金属晶须生长所带来的风险。

一、新的ECUS必须满足更严格的汽车要求

联网汽车变革正在我们眼前发生。该行业正在迅速发展，动力总成电气化和先进的驾驶辅助系统(ADAS)的开发提供了更大的舒适性和安全性，以及变得越来越复杂和强大的集成的车辆到一切(V2X)连接。所有这些新子系统都支持硬件、传感器和软件。但是，它们必须通过一系列联网的电子控制单元(ECU)或通过新的完全冗余的计算系统方法物理地集成到车辆中。

虽然自动驾驶汽车功能正在快速增长，但汽车架构是空间受限的环境。制造商要求他们的合作伙伴提供更轻、更小型化的组件，以便在越来越多的ECU中释放急需的电线连接空间。

典型的豪华车包含多达80个ECU，每个ECU的复杂程度都在不断提高。每个ECU包含至少一个印刷电路板(PCB)和安装在PCB上的单个插头。

ECU可以容纳多达数百个电线连接，这些连接又包含在复杂的线束系统中。此外，现有应用变得越来越复杂，在车辆中引入了更多功能和ADAS。例如，新的LED前照灯单元最多可包含60个电路、15个连接器和120个端子。

在将所有这些ECU或模块连接到车辆布线系统时，汽车制造商遇到技术挑战。他们必须确保它们保持连接和功能，以抵抗诸如振动、液体进入和车辆线束或不同子系统模块中的极端温度等不利条件，这些都可能中断安全连续操作。

二、微型互连平台如何实现创新

这些行业和技术趋势需要下一代小型化互连平台，以节省空间、保持燃油效率并确保性能。为确保汽车级的鲁棒性，所有连接器和组件必须符合全球OEM规范，如LV214和USCAR2。幸运的是，这些解决方案已经在市场上出售。

本文探讨了TE Connectivity(TE)解决方案，该解决方案可在车辆电气布线架构中实现空间节省，重点介绍NanoMQS端子和连接器(这是非常成功的MQS系列的较小产品)，以及MCON 0.50互连器(对标“净体”产品)。此外，本文还研究了较小导线的特定压接挑战和要求，以及金属晶须在高密度PCB引脚连接上生长的挑战。

三、用于微型汽车连接的TE解决方案

TE最初的MQS互连系统是在20多年前推出的。它已成为业界最成功的汽车互连解决方案之一，因其2.54毫米间距的高封装密度和高度稳健的汽车级设计，并且具有两个锁定水准。几乎所有欧洲汽车制造商和全球众多汽车制造商都使用该系统。

多年来，随着Micro-power Quadlok(MpQ)和功率Quadlok(pQ)系列的推出，MQS平台得到了扩展，可以承载更高的电流(图1)。

图1. MQS产品系列

四、NanoMQS端子和连接器

基于MQS端子设计，NanoMQS互连系统的推出旨在满足制造商对ECU和PCB等电子元件小型化的需求。NanoMQS互连系统采用小型化端子(触点)、连接器和接头，以解决密集的车辆电子设备问题。

图2. NanoMQS端子

这种设计可将PCB占位面积减少约50%，同时提供高达3安培的额定电流容量。此外，NanoMQS互连系统可以容纳小至0.13 mm2的导线横截面，使得制造商在需要时可减少线束重量。

密封版NanoMQS系统还具有高达400 g的高度抗振性能。

五、汽车级微型端子提供可靠的性能

NanoMQS互连平台的核心是单片式压接端子(图2)。

插座触点的标准版本由镀锡铜制成。它有从0.13 mm2、0.17 mm2、0.22 mm2到0.35 mm2的导线交叉部分。插座触点设计用于0.5 x 0.4毫米的接触刀片。

带镀锡端子的型号经认证适用于-40°C至130°C的环境温度。

带镀银端子的型号可在高达170°C的条件下使用，因此适用于发动机舱区域内的应用。

带镀金端子的型号可使插拔次数增加100次。它还显著降低了金属腐蚀的可能性，延长了接触寿命和安全气囊系统等安全应用的可用性。

NanoMQS端子和连接器的标称载流量高达3安培。但是，它也可以支持高达标称限值五倍的短峰值。当插拔时，插座触点通过强大的L形弹簧与相应的刀片建立两个电接触点，该弹簧施加高法向力。

NanoMQS插座触点采用封闭式设计接触腔，与外壳上相对较大的引入倒角配合使用，确保导向插入平稳。这防止了刀片在配合期间与插座接触件碰撞(“短路”)，这可能由于不正确的插入而变形并损坏接触枪。

在端子的顶部是一个锁定喷枪，一旦端子完全插入，该锁定喷枪可听见且有形地锁定在塑料外壳上。锁定矛杆为两级接触保持系统提供主锁定机构。通过切口可以看到锁定孔，使制造商能够确认喷枪是否正确插入(图3和图3A)。主锁定装置的最大插入力为5N，最小保持力为25N。第二独立的二级锁定装置，其锁定在壳体上的底切上，使得保持力大于50N。

图3：NanoMQS锁定机制

图3A：突出显示NanoMQS锁定机制

六、NanoMQS极化锁定机制可防止不正确的插入

尽管尺寸小，但端子具有提供极化横截面的接触腔。这种设计意味着可以有效消除不正确插入的风险，并且可以安全方便地处理NanoMQS系统。与MQS平台一样，NanoMQS平台设计具备20个插拔周期。客户可以选择是通过手动装配还是全自动插入，将端子放入塑料连接器外壳中。

七、高等级热塑性连接器壳体和头部的两种选择

NanoMQS外壳组件(接头和连接器)由高级热塑性塑料制成。有两种版本，Top Latch(TL)和Side Latch(SL)，它们都可以垂直或平行于PCB。两个版本之间的显著差异是TL版本的锁定装置的位置，其位于壳体顶部的中央(图4)。

图4：NanoMQS接触的极化

NanoMQS外壳——顶部闩锁(TL)版本

TL版本的中央锁定装置位置使得更容易并排安装连接器，从而提高了包装灵活性。例如，在开发新型号时，最初可以并排安装三个通用连接器，以建立多达96个引脚的高位互连。 然后，制造商可以在不改变技术的情况下切换到单个客制化部件。

在TL版本中，外壳刚度通过2个至32个位置的肋条加强。肋骨的主要作用是增加20个位置以上版本的锁定选项。

NanoMQS外壳——侧面闩锁(SL)版本

在稍微紧凑的SL版本上，锁定装置位于外壳的侧面(图5)。使用SL版本，该设备可以锁定在多达20个位置，而无需加固肋条。此外，塑料锁定和锁定型材具有紧凑的几何形状。例如，连接器和头部前端之间的重叠具有楔形形状，以确保在连接器配合期间两个半部的平滑引导。当完全插拔时，重叠导致由两个彼此固定的楔形形成的强大的正连接。

图5. NanoMQS外壳：顶部锁定和侧面锁定版本

图6：NanoMQS头(左)与MQS头相比较。

八、NanoMQS端子如何缩减50%的空间

NanoMQS系列端子设计为标称间距，对应于与PCB连接的引脚之间的距离为1.8毫米。因此，与MQS端头需求相比，NanoMQS端头上相同数量的位置仅需要大约一半的空间(图6)。

如图所示，使用NanoMQS系统，MQS平台的端头占位面积从840 mm2减少到411 mm2。显然，具有显著封装密度的下一代汽车架构将需要高位互连。在发动机ECU中，Nano-MQS端子可以节省60%的ECU占位面积。目前的NanoMQS端子版本最多可容纳320个位置。这使得NanoMQS平台非常适合混合连接器，因为MQS系列的每个触点都可以作为下一个尺寸的倍数集成到网格中(图7)。二级锁定装置在所有壳体上处于同一水平面上，使其具有缩减空间的能力。

图7：NanoMQS头(左)与MQS头相比较。

九、NanoMQS平台如何支持四级高抗振性

车辆内的电气连接必须保持抗振动和抗冲击性。诸如NanoMQS互连系统之类的小型化组件通常部署在子系统模块(称为“黑匣子”)中，在难以接近的严重空间受限的空间中。

在欧洲，德国主要汽车制造商定义了LV 214等规格的振动测试等级。NanoMQS系列的标准未密封版本符合LV214 4级(镀银触点)，有效加速度约为181 m / s2。

这是值得注意的，因为NanoMQS系统满足密封连接器的要求。凭借NanoMQS系统的高接触法向力，带有附加密封的连接器可实现三级振动，可实现近距离安装，并可在发动机直接安装时实现四级振动(图8)。NanoMQS端子和连接器设计坚固，还可满足400 g窦振动阻力要求，如喷射阀或其他直接发动机安装应用所规定的那样。

图8. NanoMQS系统，密封版外壳

十、为极端恶劣的汽车环境引入MCON 0.50互连系统

MCON 0.50互连系统是TE MCON互连产品系列的一部分，该产品系列专为在恶劣的汽车环境中部署而设计。它是一个密封系统，采用特殊设计的硅胶密封圈。这些密封件可防止液体和湿气进入电气接触区域，这对于发动机舱区域中的应用是必需的。MCON 0.50端子和连接器满足LV214 3级近距离安装要求和4级直接发动机安装要求。它还实现了IP9级别的防水保护。

与NanoMQS互连系统和MCON系列的其余部分不同，MCON 0.50端子设计没有主锁定喷枪，提供所谓的“净体方法”(图9)。

图9. MCON 0.50系统“净体设计”

这意味着没有从连接器伸出的法兰将其锁定在壳体内的适当位置，从而形成更清洁的车身轮廓。该设计旨在最小化连接器壳体内部的任何磨损，因为这可能损害湿气密封。密封版本提供最高水密性和防潮性。MCON 0.50系统可以浸没在几米深的水中，并从IPX蒸汽喷射器中吸收80巴的力。

表1：NanoMQS和MCON 0.50平台的尺寸和性能

十一、工具在自动处理中的作用

小型化汽车级元件的挑战可延伸到电线端接和压接过程。采用更小的电线端子，应用工具在确保高性能连接和真正的汽车抗振性方面发挥着至关重要的作用。

为什么较小的线路更难以压接?

本质上，小型化的端子由较薄的材料构成，这意味着它们在压接过程中更容易变形或变形。这还意味着闪光的存在或突起形式的卷曲变形变得更加显著，因为它可以形成整个端子轮廓的更大百分比。这是有问题的，因为闪光可能妨碍插入或损坏连接器壳体，特别是其密封部件。小线应用通常需要较小的工具间隙以避免产生明显的闪光。工具间隙是指当两者处于压接高度时压接器和砧座之间的闪光擒纵空间。作为参考，小至0.05 mm的加工间隙可以为压接宽度为1.00 mm的端子产生明显的闪光。

较小的尺寸还使得在压接过程中将导线准确地定位在端子内更具挑战性。小规格的导线刚性较小，使其易于下垂或弯曲，从而妨碍插入端子。类似地，在压接施加工具内将端子对准砧座更加困难。

压接不对称是低质量压接的另一个特征，可能导致电气和机械性能降低。端子在铁砧上的不精确放置是不对称和闪光的主要原因。这种不准确性可能是由不正确的设置或不合标准的端子馈送机制引起的。通常，高质量的气动进料施加比机械或低质量的气动进料施加更能产生准确的结果。

小线和小型端子的应用工具

用于小线压接的TE施加使用高精度气动或伺服进给机构。这些机制使用户能够轻松地设置初始端子对准，并在施加使用时保持一致的对准。

TE在开发阶段早期与合作伙伴合作开发完整的组件和工具解决方案，以满足独特的应用需求。TE根据汽车标准对这些组件和工具解决方案进行预测试，以便最终用户获得他们可以完全依赖的整体认证解决方案。

OCEAN施加2.0如何改善小线压接

OCEAN施加2.0是TE系列施加中的最新产品，具有多项升级设计，可改善小线压接(小于0.35 mm2)。一般设计优势包括优化的砧座几何形状，用于防止砧座未对准的钉扎底板，以及新的黑色氮化表面，可显著提高耐磨性(图10)。

图10. TE的OCEAN 2.0施加

TE开发了一些功能来辅助小线压接，包括更容易的进给调整和带状导向锁的改进。除了新的优化砧座几何外，OCEAN施加2.0还采用了新的System 3端子压紧机制，以确保准确和稳定的端子定位。它还提供坚固的压接高度调节功能，以及锁定机制。

制造商可以通过标准压接监控系统对自动压接过程进行质量控制和验证，这些系统也适用于细线。此外，TE CrimpData应用程序使合作伙伴能够对自动压接过程进行有效的无线监控，包括监控循环次数设置报警以进行维护和更换备件。

TE的手动压接工具提供与自动电线端接完全相同的压接连接质量。此外，手动工具的良好人体工程学设计使其可以在狭窄的空间内使用。

十二、抗晶须压接引脚电镀

小型化的趋势也增加了行业对防止金属晶须形成的解决方案的需求。车辆中越来越多的电子产品使得元件制造商将印刷电路板(PCB)连接的压合技术用作焊料解决方案的可靠替代品。电镀适用于压接销，以便于润滑并防止由于氧化和其他原因造成的表面损坏。如今，这些电镀溶液主要由锡(Sn)组成。

图11.从压接销生长的锡须

然而，锡对晶须生长具有高度敏感性。当锡膜受到应力时，例如当它插入PCB时，锡须可以从头发状结构中自发生长。由于锡晶须是金属，它们是导电的并且可以长到足以桥接到其他金属部件。在极端情况下，它们可能会引起电子操作短路。在过去，通过在电镀中加入铅来解决该问题。

铅已经逐步退出制造流程，因为它会损害环境。由于汽车制造商正在减少引脚间并采用主要由锡制成的引脚电镀解决方案，他们正在寻找新的替代品来降低锡须形成的风险。

LITESURF镀层

TE的LITESURF电镀技术是一种用于压接应用的抗晶须电镀。它为汽车电子制造商提供了锡的替代品，几乎没有晶须生长的风险。由于是基于铋(Bi)，它具有环境可持续性，完全无害。

LITESURF电镀技术是经过五年多研究和开发的成果，旨在研究无锡电镀，以减轻晶须引发故障的风险，并适用于压接销连接的高应力条件。LITESURF电镀的开发是为了满足制造商对逐步小型化、减小引脚间距以及在PCB上使用更小的连接器尺寸的需求。

随着TE的LITESURF电镀技术的不断开发，研究了超过12种不同的沉积物组成，研究了晶须形成以及影响生产过程(如熔化温度)的其他行为特征。TE专家创建了所有选项的详细矩阵。TE研究得出结论，电镀的最佳沉积物是电镀的铋基涂层。使用铋具有额外的好处，它使得制造商可以使用遵循典型的电镀线工艺的应用工艺，该工艺与标准锡浴相当。基于铋的LITESURF电镀可以在现有的电镀生产线中实施，而无需任何额外的工艺变化。对超过5,600个多弹簧和动作销以及三种不同类型的PCB技术进行了广泛的LITESURF电镀测试。测试表明，根据检测到的颗粒的数量和大小以及铋的较低电导率(比锡的电导率低90%)，LITESURF电镀可以将晶须发生率降低1,600倍以上。

图12.LITESURF抗晶须电镀组合物

结论

自从卷曲发明以来，TE一直与汽车制造商合作，共同创建领先的连接解决方案，为创新和性能树立行业标准。如今，汽车中电子技术的快速增长以及对小型化技术的需求带来了新的挑战，需要更加技术先进的解决方案和真正的汽车级坚固性。TE在开发过程的早期继续与客户互动，并作为共同创建解决方案的真正合作伙伴，使车辆更智能，更安全。

TE能够为端子、连接器、接头和压接技术以及共同开发的应用工具提供连接解决方案。这些解决方案可以将组件的PCB占用空间减少多达50%，同时作为具有预验证接口的系统的一部分进行无缝互操作。此外，TE的小型互连系统专为恶劣环境应用而设计，满足LV214振动要求和防水等IP9级别。

TE能够在内部支持产品开发的所有方面。TE完全控制产品设计和验证的所有制造阶段;开发，包括冲压、模塑、电镀和组装;以及测试、质量保证、应用和客户支持。这意味着我们可以提供更大的制造量灵活性，在关键流程的每个阶段提供高质量的保证，并保证更快和受控的交货时间。