连接器设计基础

電子連接器設計基礎設計要件1.正向力設計2.最大應力設計3.保持力設計4.接觸電阻設計5.金屬材料選用6.應力釋放設計1.1正向力設計鍍金端子正向力：100gf或小於100gf。鍍錫鉛端子正向力必須大於150gf。正向力與產品的可靠性有絕對的關係。正向力與接觸電阻有密切的關係。若PIN數大於200可適度降低正向力。正向力與mating/unmatingforce有關。正向力與振動測試時之瞬斷(intermitance)有密切的關係，增加正向力可改善瞬斷問題。正向力會嚴重影響電鍍層之耐磨耗性。1.2正向力與接觸電阻關係050100150200250NormalForce(gf)0.010.020.030.040.050.0LLCR(mOhm)T:0.15R:0.30Au:1Sample1Sample2Sample3Sample4Sample52.1端子應力設計基礎22336234bhLFLdEhLdEbhFd:位移量(mm)E:彈性係數(110Gpa):最大應力(Mpa)F:N(98gf)理論最大應力理論正向力*Formingandblanking端子設計差異及重點2.1端子應力設計實例材料強度=750Mpa大小端子應力值(1)703Mpa(2)1111Mpa(3)1244Mpa(4)1355MPa2.2最大應力設計最大應力＜材料強度(680-780MPaforC5210EH)。FEM分析所得之最大應力含應力集中效應，通常會大於nominalstress，因此應排除應力集中效應。高應力設計的趨勢：Connector小型化的趨勢，使端子最大應力已大於材料強度，如何在臨界應力下設計端子是重要課題。臨界應力的設計應以理論應力值為基礎來設計，所考慮的因素包括：位移量，理論應力，永久變形量，反覆差拔次數。2.3臨界應力設計實例2.3臨界應力設計實例位移(mm)最大應力(Mpa)永久變形量(mm)CycleNo.理論值FEM理論值/材料強度0.22975250.40100000.34457870.60.01100000.459410500.80.02100000.574213121.00.05100000.689115751.20.0980000.7104018381.40.1550000.8118821001.60.200.9133723631.80.2720001.0148526252.00.342.4正向力結果之比較0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.0500.000.511.5NormalForce(Excel;g)NormalForce(FEM:g)NormalForce(Measure;g)2.5理論應力與永久變形之關係00.10.20.30.400.20.40.60.811.21.41.61.82理論應力/材料強度永久變形量(mm)2.6永久變形和正向力之關係端子位移0.9mm05010015020025000.10.20.30.40.50.60.70.80.9位移(mm)正向力(g)第一次測試第十次測試2.7端子反覆耐壓實驗端子位移0.7mm0501001502002501100120013001400150016001700180019001Cycle數正向力(g)2.8臨界應力設計討論以理論方式計算之正向力非常接近實驗值。永久變形受FEM最大應力值影響，也就是應力集中之影響，因此應力集中會造成永久變形。永久變形量不會造成端子正向力降低，而是端子彈性係數(正向力/位移量)增加。當端子之理論應力值大過材料強度時，其反覆耐壓之次數及無法達到1萬次，應力愈高次數愈少，但應力超過最大值之1.8倍時尚有2000cycles.以上測試是在實驗室環境下所測得之案例，若產品設計高出材料強度很高時很容易產生跪針現象。3.1保持力設計在連接器smt化及小型化的趨勢下，保持力的設計必須非常精準。保持力太大，有兩項缺點：(1)增加端子插入力，易造成端子變形(2)增加housing內應力，易造成housing變形。保持力太小，有兩項缺點：(1)正向力不夠，造成電訊接觸品質不良，(2)端子易鬆脫3.2保持力設計參數保持力設計參數包括：塑膠選用，端子卡榫設計，干涉量設計。smttypeconnectors必須使用耐高溫的塑膠材料，常用的包括：LCP，Nylon，PCT，PPS等。端子卡榫設計大致分為單邊及雙邊兩類，每一邊又可以單層及雙層或三層。干涉量通常設計在40mm-130mm之間3.3保持力實驗設計3.4卡榫的設計變數卡榫的設計變數包括：單邊與雙邊單凸點與雙凸點凸點平面寬度(4,8mm)凸點插入角度(30,60)前後凸點高度差(0.02,0.04mm)3.5保持力設計準則1.塑膠材料的保持力差異性很大，同一種卡榫及干涉量的設計，不同的塑料，保持力會有500gf以上的差別。2.一般而言：nylon的保持力大於LCP，PCT則介於兩者之間，但同樣是LCP，不同廠牌間的差異性非常大，有將近400gf的差異。3.干涉量的設計最好介於40mm-100mm之間，因為干涉量小於40mm，保持力不穩定，大於100mm，保持力不會增加，干涉量介於兩者之間，保持力呈現性的方式增加，增加的量隨材料及卡榫設計的差異約在30-120(gf/10mm)。3.5保持力設計準則4.凸點平面長度和保持力有很大的關係，長度越長，保持力越大。5.單邊卡榫較雙邊的保持力大。6.雙凸點較單凸點的保持力大，但不明顯，可以忽略。7.凸點前的導角角度與保持力無關。8.較薄的板片保持力也相對的較低9.總結而論：由(4,5,8)項結論可知，端子和塑膠接觸面積越大，保持力保持力越大，而且其效非常明顯。，3.6保持力設計實例3.7保持力線性公式r_F:保持力(gf)I:干涉量(10mm)Zenite6130L(A3)SumikE6006L(B3)VectraL140(C4)PA46TE250F6(D3)PA6TC430CN(E3)PCTCG941(F4)B02r_F＝42I－1r_F＝29I＋58r_F＝54I－89r_F＝24I＋349r_F＝44I＋12r_F＝40I－5B03r_F＝27I＋147r_F＝35I＋4r_F＝40I＋6r_F＝47I＋146r_F＝53I－60r_F＝36I－31B22r_F＝74I＋222r_F＝43I＋196r_F＝77I＋270r_F＝73I＋646r_F＝82I＋391r_F＝41I＋4164.0Contactresistance...111fcbulkRRRCR4.1接觸電阻設計電子連接器接觸電阻設計包括兩部分：1.端子材料電阻2.接觸端電阻4.2材料電阻計算磷青銅(C5191,5210)的導電率約為13%，黃銅(C2600)導電率約26%，BeCuandC7025則可達到40%，因此選擇端子材料是降低接觸電阻最有效的方法，可降為原來的1/2-1/3。端子長度及截面積受電子連接器外型及pitch而決定，可變更的範圍受到限制。ALmRB31024.17)(L:端子導電長度(mm)A:端子截面積(mm2):導電率(%)4.2端子材料選用4.3接觸點電阻正向力在50-150gf之間接觸點電阻值在4-8m-ohm。正向力小於50gf,接觸電阻則快速增加。050100150200250NormalForce(gf)0.010.020.030.040.050.0LLCR(mOhm)T:0.15R:0.30Au:1Sample1Sample2Sample3Sample4Sample55.3)(300)(gfFmRC4.4接觸電阻設計接觸電阻包含端子材料電阻和接觸點電阻兩項和。一般連接器設計使用100gf的正向力設計，接觸端電阻可設定為6.5m-ohm，再加上端子材料電阻即是接觸電阻。高導電率材料選用對降低接觸電阻效果最顯著，增加正向力對降低接觸電阻沒有效果。接觸端的半徑對接觸電阻值沒有顯著影響。高電流連接器設計之重點在降低接觸電阻，降低接觸電阻的主要方法為1.選擇高導電率的端子材料，2.增加端子截面積。4.5接觸電阻案例1.請計算接觸電阻1.23.22.25.53.29.84.33.35.1應力釋放設計應力釋放：當材料在受應力及溫度環境下，長時間所造成的正向力下降的現象，稱為應力釋放，通常以原受力的百分比表示。溫度越高，受力時間越長，應力釋放的越大一般規定應力釋放在3000hr以上仍然能維持70%以上的力量才合乎設計的原則。根據以上的規定，可提出一簡單的設計原則：70℃以下可使用C260(黃銅)，70-105℃可使用C510,C521(磷青銅)，105℃以上則須使用C7025,BeCu,TiCu等較貴材料。5.2應力釋放相關資料(1)5.2應力釋放相關資料(1)6.1Temperaturerise大電流連接器必須考慮溫度上升效應，通常設計在30℃的範圍內，簡單的計算可使用以下之保守公式：2222ALJTT:degreeFJ:current(amps)L:beamlength(in)A:crosssectionarea(in*in):electricconductivity(%IACS)k:thermalconductivity(BTU/ft.hr.F)