电子连接器设计基础

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1、電子連接器設計基礎概論設計要件設計要件正向力設計正向力設計最大應力設計最大應力設計保持力設計保持力設計接觸電阻設計接觸電阻設計金屬材料選用金屬材料選用應力釋放設計應力釋放設計正向力設計n正向力與產品的可靠性有絕對的關係。n正向力與接觸電阻有密切的關係。n若 PIN 數大於 200 可適度降低正向力。n正向力與 mating/un-mating force 有關。n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。n正向力會嚴重影響電鍍層之耐磨耗性。一般正向力要求n鍍金端子正向力：80 100 g。n鍍錫鉛端子正向力必須大於 150 g。正向力與接觸電阻關係050100150200

2、250Normal Force(gf)0.010.020.030.040.050.0LLCR(mOhm)T:0.15 R:0.30 Au:1Sample 1Sample 2Sample 3Sample 4Sample 5端子應力設計基礎22336234bhLFLdEhLdEbhF d:位移量(mm)E:彈性係數(110 Gpa):最大應力(Mpa)F:N(98gf)理論最大應力理論正向力*Forming and blanking 端子設計差異及重點端子應力設計實例最大應力設計n最大應力材料強度(680-780 MPa for C5210EH)。nFEM 分析所得之最大應力含應力集中效應，通常會

3、大於 nominal stress，因此應排除應力集中效應。n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。n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。臨界應力設計實例臨界應力設計實例位移(mm)最大應力(Mpa)永久變形量(mm)Cycle No.理論值FEM理論值/材料強度0.22975250.40100000.34457870.60.01100000.459410500.80.02100000.574213121.00.05100000.689115751

4、.20.0980000.7104018381.40.1550000.8118821001.60.20 0.9133723631.80.2720001.0148526252.00.34 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)理論應力與永久變形之關係0 00.10.10.20.20.30.30.40.40 00.20.20.40.40.60.60.80.81 11.21.21.41.

5、41.61.61.81.82 2理論應力/材料強度永久變形量(mm)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0.7mm050100150200250110012001 30014001 50016001 70018001 9001Cycle數正向力(g)臨界應力設計討論n以理論方式計算之正向力非常接近實驗值。n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。n永久變形量不會造成端子正向力降低，而是端子彈性

6、係數(正向力/位移量)增加。n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2000 cycles.n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。保持力設計n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。n保持力太大，有兩項缺點：n(1)增加端子插入力，易造成端子變形n(2)增加housing 內應力，易造成housing 變形。n保持力太小，有兩項缺點：n(1)正向力不夠，造成電訊接觸品質不良，n(2)端子易鬆脫保持力設計參數n保持力設計參數包括：塑膠選用，端子

7、卡榫設計，干涉量設計。n smt type connectors 必須使用耐高溫的塑膠材料，常用的包括：LCP，Nylon，PCT，PPS等。n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。n干涉量通常設計在40 mm-130 mm 之間保持力實驗設計卡榫的設計變數n卡榫的設計變數包括：n單邊與雙邊n單凸點與雙凸點n凸點平面寬度(4,8 mm)n凸點插入角度(30,60)n前後凸點高度差(0.02,0.04 mm)保持力設計準則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500 gf 以上的差別。一般而言：nylon的保持力大於LCP，PCT

8、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400 gf的差異。干涉量的設計最好介於40 mm-100 mm 之間，因為干涉量小於40 mm，保持力不穩定，大於100 mm，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)。保持力設計準則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。單邊卡榫較雙邊的保持力大。雙凸點較單凸點的保持力大，但不明顯，可以忽略。凸點前的導角角度與保持力無關。較薄的板片保持力也相對的較低總結而論：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，

9、而且其效非常明顯。，保持力設計實例保持力線性公式 r_F:保持力(gf)I :干涉量(10 mm)Zenite 6130L(A3)Sumik E6006L(B3)Vectra L140(C4)PA 46 TE250F6(D3)PA 6T C430CN(E3)PCT CG941(F4)B02r_F42 I1r_F29 I58r_F54 I89r_F24 I349r_F44 I12r_F40 I5B03r_F27 I147r_F35 I4r_F40 I6r_F47 I146r_F53 I60r_F36 I31B22r_F74 I222r_F43 I196r_F77 I270r_F73 I646r_

10、F82 I391r_F41 I416Contact resistance.111fcbulkRRRCR接觸電阻設計n電子連接器接觸電阻設計包括兩部分：端子材料電阻接觸端電阻材料電阻計算n磷青銅(C5191,5210)的導電率約為13%，黃銅(C2600)導電率約26%，BeCu and C7025 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。n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。ALmRB31024.17)(L:端子導電長度(mm)A:端子截面積(mm2):導電率(%)端子材料選用接觸點電阻n正向力在 50-15

11、0 gf 之間接觸點電阻值在4-8 m-ohm。n正向力小於50 gf,接觸電阻則快速增加。050100150200250Normal Force(gf)0.010.020.030.040.050.0LLCR(mOhm)T:0.15 R:0.30 Au:1Sample 1Sample 2Sample 3Sample 4Sample 55.3)(300)(gfFmRC接觸電阻設計n接觸電阻包含端子材料電阻和接觸點電阻兩項和。n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 6.5 m-ohm，再加上端子材料電阻即是接觸電阻。n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

12、降低接觸電阻沒有效果。n接觸端的半徑對接觸電阻值沒有顯著影響。n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。接觸電阻案例請計算接觸電阻單位：m23.225.529.81.33.3應力釋放設計n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。n溫度越高，受力時間越長，應力釋放的越大n一般規定應力釋放在 3000 hr 以上仍然能維持70%以上的力量才合乎設計的原則。n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。應力釋放應力釋放