高 輝

(昆山嘉華電子有限公司，江蘇昆山215316)

1 引言

手機(jī)連接器是手機(jī)中重要的結(jié)構(gòu)元件，它們的好壞直接關(guān)系到手機(jī)使用的可靠性，手機(jī)絕大部分的售后質(zhì)量問(wèn)題也與連接器相關(guān)。手機(jī)所使用的連接器種類根據(jù)其產(chǎn)品的不同而略有差異，平均使用數(shù)量約在5～9個(gè)之間，產(chǎn)品種類可以分為內(nèi)部的FPC連接器及板對(duì)板連接器、外部連接的I/O連接器，以及電池、SIM卡連接器和CameraSocket、Audio Jack等。

受智能手機(jī)需求市場(chǎng)的影響，手機(jī)連接器當(dāng)前的發(fā)展方向?yàn)?低高度、小間距、多功能、良好的電磁兼容性、標(biāo)準(zhǔn)化和定制化并存。

電池連接器是手機(jī)中最為重要的一個(gè)連接器，其可靠性對(duì)手機(jī)而言至關(guān)重要，從目前手機(jī)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，電池連接器不會(huì)在手機(jī)中消失。

電池連接器從端子接觸形式來(lái)看主要分為彈片式和閘刀式兩大類，F(xiàn)TB連接器則是脫胎于手機(jī)中早已廣泛使用的板對(duì)板連接器。

早期的功能手機(jī)均使用彈片式電池連接器，隨著智能手機(jī)的發(fā)展，除了多核、大屏、高分辨率、高像素、超薄設(shè)計(jì)成為手機(jī)行業(yè)的主流趨勢(shì)外，還有一項(xiàng)技術(shù)正在手機(jī)上盡情的展現(xiàn)著自己的魅力，這就是手機(jī)內(nèi)置電池的設(shè)計(jì)。其實(shí)一直以來(lái)，大家對(duì)于手機(jī)電池最關(guān)注的無(wú)非就是電池容量，能為手機(jī)帶來(lái)怎樣的續(xù)航能力。但蘋果iPhone引領(lǐng)了內(nèi)置電池的設(shè)計(jì)風(fēng)潮，內(nèi)置電池方案不需要將電池呈現(xiàn)在外部以方便用戶插拔，也不需要留出電池與后蓋之間的空間，大大節(jié)省了機(jī)身體積，可以設(shè)計(jì)出更加合理的主板布局。同時(shí)采用內(nèi)置電池的設(shè)計(jì)，可以杜絕山寨版電池以及非標(biāo)充電器的使用，在兼容性和安全性方面有了更好的保證。

本文針對(duì)常用的手機(jī)電池連接器，從其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用以及使用過(guò)程中可能存在的問(wèn)題點(diǎn)作了綜合探討與分析。

2 彈片式電池連接器

彈片式電池連接器一般有板上型、沉板型二種結(jié)構(gòu)型式，Pin數(shù)依不同要求有3/4/5/6pin，廣泛應(yīng)用于功能型手機(jī)中，在實(shí)際使用時(shí)電池的金手指直接與連接器彈性端子接觸。

彈片式電池連接器的端子材料多選用鈹銅，近來(lái)由于受RoHS要求的限制，也開(kāi)始用高性能的鈦銅來(lái)取代鈹銅。

彈片式電池連接器的正向力設(shè)計(jì)原則是:在客戶實(shí)際使用時(shí)的最大和最小壓縮量的情況下，正向力應(yīng)滿足100～200g的要求，既可以保持良好的接觸性能，抵抗微跌落時(shí)掉電，也可以防止端子屈服和電鍍層的磨損。

針對(duì)壓縮量部分，我們建議0.8～2.0mm為宜，若壓縮量過(guò)小，為保證足夠的正向力，端子的彈性系數(shù)會(huì)較大，對(duì)零件尺寸、組裝尺寸以及電池倉(cāng)的相關(guān)尺寸精度要求高，包容性會(huì)變差;若壓縮量過(guò)大，端子伸出高度會(huì)增大，電池與連接器互配時(shí)，易造成端子變形，影響接觸性能及使用功能。

下圖是常用的幾種不同的彈片式電池連接器觸點(diǎn)形狀，以單觸點(diǎn)形式使用相對(duì)居多。

圖1 幾種不同的彈片式電池連接器觸點(diǎn)形狀

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與應(yīng)用，彈片式電池連接器已相對(duì)比較成熟，但各大手機(jī)廠商仍會(huì)偶發(fā)有手機(jī)在跌落測(cè)試或客戶使用過(guò)程中出現(xiàn)微跌落掉電的不良現(xiàn)象。

可能的原因如下:

1)端子與電池接觸表面的粘性臟污

在手機(jī)貼片組裝以及產(chǎn)品使用過(guò)程中，電池連接器與電池接觸表面有可能出現(xiàn)臟污，影響端子和電池的接觸性能?？紤]到生產(chǎn)組裝制程中的臟污在所難免，我們?cè)谧鰪椘诫姵剡B接器產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，除了要保證足夠的正向力以及合適的觸點(diǎn)形狀外，還要保證電池與彈片接觸時(shí)彈片在Z向產(chǎn)生一定的刮擦距離(Wiping Distance)，以便能夠起到排除臟污的效果。

2)微跌落過(guò)程中，彈片端子回彈遲滯，與電池產(chǎn)生瞬時(shí)接觸分離

如下圖所示，彈片端子兩側(cè)與塑膠間應(yīng)該設(shè)計(jì)有一定間隙，若間隙過(guò)小或者端子組裝時(shí)正位度較大導(dǎo)致偏向一側(cè)、端子側(cè)邊有下料毛刺、塑膠框口有溢膠過(guò)大等，都有可能導(dǎo)致彈性端子下壓后回彈不順，產(chǎn)生掉電現(xiàn)象。

圖2 彈片式電池連接器刮擦方向

圖3 彈片式電池連接器

我們?cè)谧鲞B接器單體的信賴性測(cè)試時(shí)，也應(yīng)該模擬客戶的實(shí)際使用，配置相應(yīng)重量的電池和手機(jī)本體配重，來(lái)完成抗振動(dòng)及沖擊性能的測(cè)試。

圖4 彈片式電池連接器振動(dòng)沖擊試驗(yàn)治具

在沖擊載荷作用下電池連接器接觸結(jié)構(gòu)的仿真分析目前還是空白?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，端子的結(jié)構(gòu)形狀、材料、電池的重量、沖擊方向等因素都一定會(huì)影響到其最終的接觸性能，這有待于我們進(jìn)一步的探索和研究。

還有一種Pogo Pin產(chǎn)品也可以用作電池連接器，其應(yīng)用方法和上述彈片式電池連接器相似。Pogo Pin是一種具有精密彈簧結(jié)構(gòu)的電子連接器，由接觸針軸、彈簧、套管三個(gè)基本部件通過(guò)精密設(shè)備預(yù)壓鉚接后形成彈簧式探針，在手機(jī)中也可以作為電池連接器用于電池與手機(jī)主板之間的連接。針軸與電池金手指接觸導(dǎo)通，電流大部分通過(guò)針軸的側(cè)面與套管壁接觸，彈簧也承擔(dān)少量導(dǎo)電功能，因此要求銅套內(nèi)壁光滑。Pogo Pin可以保持持續(xù)的工作電流，由于采用彈簧作作為彈性元件，因此具有非常好的彈性，工作壽命很長(zhǎng)。如下圖示的一種Pogo Pin電池連接器，其套管設(shè)置延伸出一個(gè)彈性臂與針軸始終保持接觸，實(shí)現(xiàn)了電流傳輸功能。

但Pogo Pin連接器在實(shí)際使用時(shí)有一點(diǎn)不足，其接觸針軸只能沿著彈簧軸方向水平運(yùn)動(dòng)。因此，為保證工作可靠，電池必須充分水平導(dǎo)引后再與針軸接觸。若依一般使用者如下圖慣常的電池成一定角度插入的手法，則極易造成接觸針軸變形失效。

圖5 Pogo型電池連接器

3 閘刀式電池連接器

智能手機(jī)廣泛使用的內(nèi)置電池可以預(yù)防電池接觸不良而引起的不開(kāi)機(jī)，重啟等故障，所使用的電池連接器形式也有所變化。其端子結(jié)構(gòu)多采用閘刀式，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，端子配合時(shí)雙點(diǎn)接觸，具有良好的夾持及刮擦效果。閘刀式電池連接器一般成對(duì)使用，依使用方式又有WTB、BTB兩種結(jié)構(gòu)形式。

3.1 WTB(Wire To Board)連接器

應(yīng)用于手機(jī)電池連接器的WTB目前有多種不同的高度，端子結(jié)構(gòu)也各不相同，可壓接AWG28～32的電源線。典型的WTB板端端子均為下料式結(jié)構(gòu)，線端端子前端則為夾持式結(jié)構(gòu)，用于對(duì)板端子的夾持接觸，以保證接觸可靠性，線端端子的尾部為壓接式(Crimping)結(jié)構(gòu)，用于傳輸線的壓接。

線端端子的打線要經(jīng)過(guò)剝線、壓接端子、沾錫等制程，打好線后的端子再分別插入到塑件中，形成一個(gè)完整的線端產(chǎn)品。目前，端子插入塑件的動(dòng)作難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，手工插入效率較低，也致產(chǎn)品成本相對(duì)較高。打好線后的線端產(chǎn)品一般會(huì)單獨(dú)出貨至電池廠家，由電池制造商焊上電池，再供給手機(jī)廠組裝成整機(jī)。

圖6 打線后的WTB端子嵌合示意圖

圖7 是電池廠商熱鉚工位的示意圖，將打好線的WTB連接器產(chǎn)品放入圖示的治具并理好電源線，同時(shí)放置好線路板，利用熱壓焊頭進(jìn)行熱鉚。為防止焊點(diǎn)氧化，還要對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)膠處理。

圖7 熱壓焊熱鉚治具

手機(jī)電池所用的WTB線端長(zhǎng)度一般較短(我們遇到最短的線長(zhǎng)只有7mm)，電池廠商通過(guò)熱壓焊制成焊線時(shí)極易造成連接器打線結(jié)構(gòu)受高溫而松脫，接觸阻抗增大(規(guī)格為10毫歐最大)，電池發(fā)熱而導(dǎo)致關(guān)機(jī)失效。

因此，連接器廠商在打線時(shí)要嚴(yán)格控制好打線截面的相關(guān)尺寸以及截面形狀，以保證打線鉚接可靠，在自然放置以及受高熱狀態(tài)時(shí)都不至于松脫。

圖8 WTB打線斷面示意圖

3.2 BTB(Battery To Board)連接器

WTB在用作電池連接器時(shí)由于要有打線及熱鉚制程，其壓接結(jié)構(gòu)在受高溫狀態(tài)下有失效的可能，因此閘刀式的電池連接器又有了如下一種新的BTB(Battery To Board)形式，其公母端均以焊接方式分別與手機(jī)主板、電池相連接，較之WTB的鉚線結(jié)構(gòu)則更為安全可靠。

圖9 BTB(Battery To Board)電池連接器

下圖即為此款閘刀型電池連接器在手機(jī)中的典型應(yīng)用，母座直接封裝在手機(jī)電池里，公端焊接在手機(jī)主板上。

圖10 Battery To Board型電池連接器的應(yīng)用

4 FTB(FPC To Board)電池連接器

前述WTB電池連接器除了有打線結(jié)構(gòu)松脫的風(fēng)險(xiǎn)外，其嵌合高度也較高，且由于閘刀式端子結(jié)構(gòu)所限，再降低高度較為困難。另外，WTB所用的電源線也相對(duì)較硬，不易于定位安裝，振動(dòng)沖擊測(cè)試時(shí)有時(shí)甚至?xí)绊懙焦缸呐浜?。目前智能手機(jī)中的電池連接器更趨向于使用FTB(FPC To Board)連接器，F(xiàn)TB連接器結(jié)構(gòu)與目前廣泛使用的板對(duì)板(Board To Board)連接器相似，母座焊接在手機(jī)主板上，而公座焊接在電池端引出的軟排線上。由于采用較薄的FPC軟排線作為電源線，其柔性更好，易于布線的實(shí)施，嵌合高度也可以變的更低。目前，我們已做到0.9mm高度，而業(yè)界最低的BTB連接器已經(jīng)做到了0.5mm的嵌合高度。布板空間也較為節(jié)省，成本也可以比WTB有所下降。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)大電流的傳輸。

目前有二款主流的FTB電池連接器:

4.1 FTB 6 pin電池連接器

此款產(chǎn)品的6根端子均為相同的結(jié)構(gòu)，每根pin可以通過(guò)3A的電流，手機(jī)實(shí)際應(yīng)用布板時(shí)電源pin(+/－極)會(huì)采用2pin并聯(lián)的使用方式，理論上則可以實(shí)現(xiàn)6A充電電流的傳輸。其母座的彈性端子設(shè)計(jì)成雙簧片的結(jié)構(gòu)，公母端子嵌合時(shí)可以實(shí)現(xiàn)3點(diǎn)接觸，有效地保證了接觸可靠性。

圖11 FTB 6Pin電池連接器及嵌合斷面示意圖

4.2 FTB 4 pin電池連接器

此款產(chǎn)品有兩種不同類型的端子，外側(cè)端子在連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)已予以并聯(lián)，分別用作電源pin(+/－極)，可以實(shí)現(xiàn)4A的充電電流的傳輸。中間的2根信號(hào)pin可分別用電池內(nèi)阻和電池溫度的測(cè)試。

圖13為FTB電池連接器在手機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用:

FTB電池連接器嚴(yán)格意義上來(lái)講就是板對(duì)板連接器。眾所周知，板對(duì)板連接器是手機(jī)連接器中技術(shù)難度最高的一個(gè)，目前業(yè)界能穩(wěn)定生產(chǎn)板對(duì)板產(chǎn)品的廠商為數(shù)不多。因嵌合高度低，端子結(jié)構(gòu)受限，如何保證端子的可靠接觸、保證適當(dāng)?shù)墓缸ヅ涞牟灏瘟?duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定量產(chǎn)是一個(gè)挑戰(zhàn)，板對(duì)板產(chǎn)品的接觸面防爬錫以及接觸端子的異物去除都需要在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)予以重點(diǎn)考量。我們?cè)趪?guó)內(nèi)最先完成小間距板對(duì)板產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)，上述兩款FTB產(chǎn)品也都已順利開(kāi)發(fā)成功。

圖12 FTB 4 Pin電池連接器及嵌合斷面示意圖

圖13 FTB電池連接器在手機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用

與眾多手機(jī)廠家的選型不同，Apple iPhone使用的電池連接器相對(duì)較為特殊，以其端子接觸形式來(lái)看仍屬于閘刀式，但其端子結(jié)構(gòu)與前述略有所不同;而從連接使用的角度來(lái)看，則可以歸入FTB形式。

圖14 Apple iPhone所使用的電池連接器

5 手機(jī)電池連接器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著智能手機(jī)的高速發(fā)展，手機(jī)電池連接器后續(xù)的技術(shù)趨勢(shì)主要呈現(xiàn)為小型化、低接觸阻抗、大電流、高連接可靠性以及新的電池界面。

大電流電池連接器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于如何降低端子的接觸阻抗，我們可以通過(guò)選擇導(dǎo)電性更好的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)加大接觸端子的正向力、加大端子接觸面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。綜合考量產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料成本的因素，手機(jī)廠商目前多傾向于采用多根電源Pin并聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)大電流的傳輸。

常見(jiàn)不同Pin數(shù)電池連接器的接線應(yīng)用如下圖所示:

圖15 多Pin電池連接器常用的引腳定義

其中，ID Pin用于電池內(nèi)阻的偵測(cè)，TH Pin用于電池溫度的偵測(cè)，依不同手機(jī)廠家的設(shè)計(jì)而配置。

6 結(jié)論

電池連接器是手機(jī)中極為重要的一個(gè)連接器部件，只有深入了解不同類型的電池連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及應(yīng)用方法，我們才能夠在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以重點(diǎn)考量，以保證產(chǎn)品的接觸可靠性，設(shè)計(jì)制作出高可靠性、低成本的產(chǎn)品。手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員也可以選用到更適合自己需要的電池連接器產(chǎn)品。

［1］ 杜長(zhǎng)秀.連接器設(shè)計(jì)手冊(cè).富士康(昆山)電腦接插件有限公司.

［2］ Nokia、Motorola、ZTE等公司電池連接器技術(shù)要求.

［3］ 李曉松.沖擊載荷作用下接觸結(jié)構(gòu)的仿真分析.江蘇航空，2011增刊.