电子连接器设计基础0607

電子連接器設計基礎課程電子連接器概論連接器定義連接器之基本要求連接器的組成連接器各組成之功能電子連接器定義電子連接器是一種電子機械的系統，此系統提供一種可分離的連接方式，在兩線路間沒有訊號失真或能量損失的情形下，進行穩定且長時間的訊號傳輸。基本上，其目的是提供一低且穩定的電阻電子連接器的組成連接器的本體（TheConnectorHousing）端子的彈臂（TheContactSpring）端子的接合面（TheContactInterface）端子的電鍍（TheContactFinish）鐵殼(ShieldingCase)卡扣(Latch)電子連接器之基本要求維持穩定且足夠的正向力破壞表面的薄膜移除（displacement）掉污染物減少或去除微振動滑擦（frettingmotion）防止污染物的侵入維持端子電鍍層的完整性提供足夠之插入/拔出力(inserting/withdrawforce)端子的接合面接合面的型態（Interfacemorphology）接觸阻抗（Contactresistance）摩擦/耐久性（Friction/Durability）Influencedby:NormalForce,ContactGeometry,BaseMaterialSelection端子的電鍍作用保護端子的彈臂（Protectthecontactspring）使端子接合面完美（Optimizethecontactinterface）連接器的本體作用絕緣端子（Electricallyinsulatescontacts）尺寸的控制（Dimensionalcontrol）機械結構的支持（Mechanicalsupport）環境的屏障（Environmentalshielding視覺上的美觀要求（Visualappeal）端子的彈臂作用傳導電能或訊號（Conductspowerorsignal）提供可分離面的正向力（Providesseparableinterfacenormalforce）提供永久/半永久的終端（Providespermanent/semipermanenttermination提供電氣的穩定性（Provideselectricalstability）ApplicationInterrelationshipsTemperature:Acceleratescorrosion,filmformation,lossofcontactpressureHumidity:Acceleratescorrosionandfilmformation,degradeshousingHarshEnvironments:Porecorrosion,edgecreep,surfaceparticulatescorrosionDurability:WearVibration:Chatter,Databitloss,frettingcorrosion連接器設計要件I.正向力設計II.最大應力設計III.保持力設計IV.接觸電阻設計V.金屬材料選用VI.應力釋放設計正向力設計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。正向力與mating/un-matingforce有關。正向力與振動測試時之瞬斷有密切的關係，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。一般正向力要求鍍金端子正向力：80~100g。鍍錫鉛端子正向力必須大於150g。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:1Sample1Sample2Sample3Sample4Sample5端子應力設計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*FormingtypeBlankingtype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。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端子反覆耐壓實驗端子位移0.7mm0501001502002501100120013001400150016001700180019001Cycle數正向力(g)臨界應力設計討論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.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：增加端子插入力，易造成端子變形增加housing內應力，易造成housing變形。保持力太小，有兩項缺點：正向力不夠，造成電訊接觸品質不良。端子易鬆脫保持力設計參數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，Nylon46，9T，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)保持力設計準則I.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。II.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。III.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，保持力呈線性的方式增加，增加的量隨材料及卡榫設計的差異約在30-120(gf/10mm)。保持力設計準則IV.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。V.單邊卡榫較雙邊的保持力大。VI.雙凸點較單凸點的保持力大，但不明顯，可以忽略。VII.凸點前的導角角度與保持力無關。VIII.較薄的板片保持力也相對的較低IX.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。，保持力設計實例接觸電阻...111fcbulkRRRCR接觸電阻TOTAL=RB+RF+RC+RT薄膜電阻RF=FILMRESISTANCEFilmresistance(Surface)isdisruptedbywipingcontacts.Filmresistancecharacterizedbyunstablebehavior.FilmResistancedependson:FilmConductivityFilmComposition/StructureFilmThicknessFilmBreakdown(Cracking-tensilestress,Displacement-wipingaction,Dielectricbreakdown,Fretting)Normallynotaproblemunlesscorrosionorheavyoxidationoccurs.Wipingactionwith/orpropernormal.Forcewillbreakthroughnormalfilms.終端電阻RT=TERMINATIONRESISTANCE(≦1.0mΩ)SolderIDCCompliantCrimp接觸電阻與連接器的關係Thestabilityofinterfaceresistanceiskey.Itisinterrelatedto:NormalForceContactGeometryContactConfigurationPlatingIntegrityCircuitConditionsEnvironmentalConsiderationsSheltering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(%)端子材料選用050100150200250NormalForce(gf)0.010.020.030.040.050.0LLCR(mOhm)T:0.15R:0.30Au:1Sample1Sample2Sample3Sample4Sample5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。5.3)(300)(gfFmRC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。ChangeInResistance5.0mChange:Stable5.1to10.0m:Stablewithminorchange.10.0to15.0m:Stablewithsignificantchange.15.0to25.0m:Marginalstabilityinnon-benignapplications.25.1to50.0m:Unstableinnon-benignapplications.Marginalinbenignapplications50.1m:Unstable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。應力釋放基本選料概論-端子端子材料的選擇端子材料的選擇，是基於製造成型性及強度性質上的綜合的考量，必須確保其正向力能維持電氣穩定性。基材的選擇與所使用的電鍍系統有關，鍍層亦被視為一材料系統。基本選料概論-端子端子材料的要求YieldStrength:ResistancetoPermanentSetConductivity:ElectricalResistanceT