连接器产品设计及案例分析(超全面,超详细)

Page:1连接器产品设计及案例分析Rev.APage:2Revisionchangedescription:Rev.Changecause/descriptionNoteRev.AInitialreleaseLexAi2011.02.16Page:31连接器定义---------------------------------------2连接器结构---------------------------------------2.1接触接口------------------------------------------2.2接触镀层------------------------------------------2.3接触弹片------------------------------------------2.4连接器本体---------------------------------------3制程中常见不良及处理------------------------4连接器组抗---------------------------------------5固定连接介质------------------------------------6连接器应用---------------------------------------6.1电连接器应用1-----------------------------------6.2电连接器应用2-----------------------------------6.3电连接器应用3-----------------------------------7连接器测试----------------------------------------IndexPage:4电连接器是一种机电系统，其可提供可分离的界面用以连接两个子系统，并且对于系统的运作不会产生不可接受的影响。连接器是一种机电系统是因为，它是通过机械方法产生的电连接。机械式弹片的变形会在配合的两部分间产生一个力量，这就使得接口配合面之间产生金属性接触。接触界面的可分离性是应用连接器的首要原因。可分离性的需要或期望具有很多的原因。它可以使得独立地制造部件或子系统而最后装配在一个集中的地方进行成为可能;可分离性也可以使零件或子系统的维护或升级单独进行而不必修改整体个系统;可分离性得以应用的另一个原因是可携带性和支持外围设备的扩展。定义中的可分离性引入了一个额外的子系统间的界面，此界面不能导致任何“不可接受的影响”，尤其是对系统电特性上影响，这些影响包括如不可接受的系统间信号的失真或降级，或者是通过连接器的电源损失，以毫伏损失计算的电源损失，将会成为功能性的主要设计参数。可分离性的需求和”不可接受性”的限度要由连接器的应用而定。可分离性包括配合周期的数目(在配合周期内连接器不影响其性能)，以及与另一连接器相配合所必需的作用力。典型的配合周期需求其范围从内部连接器的几十个周期到外围设备的几千个周期(比如PCMCIA型连接器)。由于电路或功能的数量以及连接器端子数目的增加，配合力量的需求变得更加的重要。为了提供更多的功能，连接器上端子的数量也必须要增加，这样就导致了更高的连接器配合力。由连接器的使用和功能而定，其端子数从几十到上千不等。1.连接器定义Page:5一个基本的连接器包括四个部分：2.1‧接触界面contactinterface2.2‧接触涂层contactfinish2.3‧接触弹性组件contactspringmembers2.4‧连接器塑料本体connectorhousing2.连接器结构图1连接器结构图Page:6有两种不同的接触界面：可分离界面和固定(永久性)界面。可分离界面是在每次连接器配合时建立的。界面的结构主要是由接触端的几何形状、端子之间的作用力(normalforce)以及接触涂层而定。可分离界面包括有微小的(微米计)连接部位(端子normalforce作用于粗糙的接触表面下形成的)。接触界面的形态将决定三个重要的连接器功能性参数：接触电阻，连接器配合力以及连接器耐用性。固定(永久性)界面一般说来只制造一次而固定使用,一般是应用在连接器安装到子系统上。很多固定式连接分属于两种基本类别：冶金式和机械式。冶金式如焊接，它要由连接器和子系统之间接触界面的结构而定。低温焊接是主要的冶金式连接，高温焊接同样也被应用，并且在较小的线缆中应用得越来越多。低温焊接连接在制造印刷线路板装配上尤其重要。机械式的固定连接有crimping，insulationdisplacement(IDC)，pressfit。crimping和IDC型连接主要用在线缆上，pressfit连接主要用于通孔镀金的印刷线路板上。2.1接触界面Page:7图2:固定连接器的种类示意图2.1接触界面Page:8接触涂层包含两个重要的功能：1.避免接触弹片底材腐蚀2.优化接触界面的结构第一个功能仅仅需要接触弹片(一般为铜合金)完全被涂层覆盖，并且涂层自身能防腐蚀和能像薄膜一样覆盖在表面。优化接触界面的方法，其实质就是对出现在接触界面上的薄膜的规划管理。一个稳定且较小的接触电阻由一不含薄膜的金属界面产生。两种主要的接触涂层，贵重金属(金，钯以及由它们组成的合金)和非贵重金属(如锡)，它们的不同主要是指在接触界面上的薄膜类型。对贵重金属(尤其是金)来说，接触涂层是惰性的，维护接触界面的完整性需要防止外来薄膜的形成(主要是来自接触弹片的底材铜合金)。对锡这种最常用的非贵重金属来说，主要考虑存在其表面的氧化问题。最普通的复合镀层包括一个金-镍合金可分离式界面和镀锡固定式界面。2.2接触镀层---功能Page:9贵金属镀层．贵金属镀层实际上是一个复合镀层，典型的贵金属层是在镍层上覆盖贵金属层。常见的贵金属表面镀层是纯金(通常会加少量的Co形成Au-Co合金提高硬度)，但现在也有用钯或者钯合金代替纯金的，这种做法依据不同的材料价格有不同的趋势。很多情况下，钯或钯合金层与纯金层结合使用，以降低比纯金抗腐蚀性差的镀层被腐蚀的影响。典型的贵金属层是在1至2.5微米厚的镍层上覆盖0.4至0.8微米厚的贵金属层。在钯或钯合金表面的纯金层只有0.1微米厚。最常用钯合金：80%的钯与20%的镍和60%的钯与40%的银。镍底层在几个方面提高了接触性能:1․减少孔隙腐蚀reducesusceptibilitytoporecorrosion2․提供腐蚀转移的阻挡provideacorrosionmigrationbarrier3․限制基材金属成分的扩散reducediffusionofbasemetalconstituents4․提高镀层的耐久性improvefinishdurability2.2接触镀层---种类Page:10普通金属镀层．锡是最常用的普通金属镀层，锡镀层的厚度介于2.5到5微米之间。现在越来越多地用锡作镀层，因为，即使锡被氧化，在插拔过程中，锡氧化物也会很轻易地脱落，从而不影响导电性能。然而，表面层再氧化会以磨损的方式降低锡结合面的机械性能。磨损来源于几微米到几十微米的微小滑移。由于在磨损过程中，部分锡被再次氧化，从而使得镀层的电阻增加。对于用锡作为镀层的连接器来说，预防磨损是最重要的工作。较大的接触压力和使用合适的润滑济是两种能有效地降低磨损的途径。其它的普通金属镀层，还包括镍,铜和银。总之，对贵金属镀层来说，保护贵金属层是首要目的；对锡镀层来说，防止磨损是首要目的。这些考虑方向的不同将直接影响连接器的设计参数。例如，normalforce大小、接触处几何形状、绝缘本体设计以及诸如插拔力和耐久性等的结构特性等都将受到影响。2.2接触镀层---种类Page:11镀层性能CuNiPdNi+G/FAuG/FBrightSnPbBrightSnMatteSnBlackSnNiBlackNi打底镀层○○外观○●○○○○可焊性V●●●耐环境性V●●V○○○电气稳定性●●耐摩擦性○●○○延展性●●●●耐SMT制程○○○○VVV----一般选择○---较好选择●---最佳选择2.2接触镀层---选择Page:12素材电镀方式电镀规格备注CuNiSnSnPb铁滚镀80~150u”100~200u”200~400u”100~200u”300~600u”连续电镀50~90u”100~200u”黄铜滚镀50~100u”100~200u”100~200u”连续电镀50~90u”100~200u”磷铜滚镀50~100u”100~200u”100~200u”连续电镀50~90u”100~200u”不锈钢30~50u”提高导电性2.2接触镀层---膜厚Page:13几种常用电镀层的优缺点：Tinplating膜厚应用(orTin/leadplating)100~200u”用于端子的焊接，也可用于端子的接触200~300u”用于作为外观件的五金零件，耐腐蚀性较好BrightTin一般用于外观件优点：焊接性，外观性缺点：材质软，表面易产生一层氧化薄膜，易产生划痕，用纯锡时须注意锡须的产生。在用于电流导通时需要较大的正压力（F100gf）Niplating膜厚应用50~90u”作为Ni底，保护基层金属，并为表面镀层提供一个平整的电镀表面100~200u”(200~300u”)用于产品的外观镀层，有亮Ni，黑Ni和普通三种300~600u”一般用于铁材零件的外观镀层优点：材质坚硬，致密，耐化学性能良好，有美观的光泽，主要用于保护基材，也多用于外观件的表面镀层，耐摩擦性好，价格低。缺点：电气性能一般2.2接触镀层---优缺点Page:14Pd/Ni合金plating膜厚应用(orTin/leadplating)30~40u”部分情况下代替金镀层优点：材质坚硬致密，电气性能良好，耐化学性能良好，耐摩擦，价格与金差不多，一般在金价上涨时代替金。在就是用在插拔时正压力较大，摩擦严重而又比较关键的部件上面。缺点：价格高。2.2接触镀层---优缺点Page:15工艺名称金属零件料带时连续镀滚桶电镀挂镀其它端子●NUT、SCREW●FeShell●CuShell○●易变性或外观不能有任何划痕零件●○大面积五金件○片材镀后再FORMING○●预镀材冲后成型即为成品●---第一选择○---第二选择电镀工艺选择2.2接触镀层---电镀工艺Page:16接触弹片在连接器上具有以下3个作用：1.在组件之间提供一条导通电讯号的路径2.产生并维持接触弹片接触面的压力3.允许永久连接的形成第一个作用，只要使用常用的铜或者铜合金材料就可轻易达到令人满意的效果。铜合金的导电率虽然很低，只有铜导电率的10%到30%，但是，对大多数连接器来说，这个导电率已经足够了。然而材料的导电率在用作高电流或电源分配的连接器中的确起着越来越重要的作用，因为，在这种连接器中，由焦耳热和微电压降引起的规定温升要求更低的阻抗。其它两个作用就要复杂的多，并且涉及到材料特性和设计参数之间的相互作用。接触弹片包括两种基本类型：插座弹片，通常是弹性的；插头弹片，通常是刚性的，它使插座弹片产生弹性变形，从而产生normalforce。图1.3显示了插头弹片的外形图，图1.4显示了插座弹片的外形图。图3显示了带有插入插座弹片的金手指的打印电路板和导柱/端子插头的几何外形。posts与pins的外形不一样，posts是方的，而pins是圆的。图4显示了几种母端子的设计，所有这些都要与post对接。事实上，所有的这些设计都显示了尤其与一种称为25方的post对接，该接触端子呈正方形，边长为0.025英寸(0.622squarepin)。2.3接触弹片Page:17我们必须综合考虑材料的各种性能，并力求达到均衡。对于可分离式接触界面，接触弹片弹性的主要功用是提供介于两插接面的normalforce对此影响最大的材料特性是杨氏模数young’smodule和屈服应力yieldstrength。这些性质严重地影响着弹性偏移特性和弹性偏移量。stressr