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連接器銅材選用 課程編碼 GKSZ2324S 上課對象 產品設計 製造 工程分析師三以下 上課時數 3小時 1 RevisionChangeDescription 2 目錄 第一章序論1 1課程目的1 2教材結構第二章電連接器的基本知識2 1電連接器的定義及組成2 2連接器的性能第三章常用材料性質簡介3 1金屬機械性能3 2金屬電氣性能3 4金屬強化機理3 5 3 9其他常用性能指標第四章銅材選用流程4 1端子設計的基礎理論4 2機械性能優化與材料選用舉例4 3簡單的電性能設計4 4常用銅合金第五章結論考題附錄及參考文獻 3 第一章序論 1 1課程目的 通過本課程的學習 希望學員能夠掌握 連接器結構設計時要考慮那些影響材料的應力 應變曲線上特徵點所代表的意義銅材UNS記號所代表的意義IACS概念 會估計算端子的體電阻根據應力 力量 低接觸阻抗的分析分析結果決定銅材選用 並且對以下的內容有所了解 連接器各種性能的相互作用銅材強化的機理可熱處理銅材的基本原理和方法 4 第一章序論 1 2教材的結構 教材以連接器的定義開始 介紹其性能需求和組成 重點介紹連接器的正向力 normalforce 需求和低接觸阻抗 LowLevelContactResistance 並以這兩個性能的設計為例說明銅材選用的流程 其間穿插介紹銅材的的基本機械性能和電氣性能的概念 並對其機理和強化途徑及影響做初步的介紹 5 第二章電連接器的基本知識 本章主要介紹連接器的一些基本概念連接器設計中最要的個性能參數 正向力 normalforce 和低接觸阻抗 LLCR 各種性能參數件的相互關係 6 2 1電連接器的定義及組成 電子連接器 是用以連結兩電子元件 以使電子訊號 電力能在兩元件間相互傳遞之元件 Device 它是一種電機系統 其可提供可分離的界面用以連接兩個次電子系統 並且對於系統的運作不會產生不可接受的作用 連接器包括四個基本部分接觸介面 通過合理設計的接觸力 保證連接器配合力以及連接器耐用性 鍍層 避免接觸端子基材金屬腐蝕 優化接觸界面的結構端子基材 其基本的功能是在組件之間提供一條導通電訊的路徑 產生形成並維持接觸彈片接觸面的壓力 形成穩固的接觸塑膠本體 使各接觸彈片相互隔離 不能電性導通 固定各接觸彈片 對各接觸彈片進行機械保護 對各接觸彈片進行工作環境遮蔽保護其他附屬件 提供其他的附加功能 7 環境需求端子溫昇 TemperatureRising 耐腐蝕性 corrosion resistance 振動 variation 耐熱耐寒 溫度循環 2 2電連接器的性能需求 電氣特性低接觸阻抗 LowLevelContactResistance 電流容量 currentratio 特徵阻抗 characterImpedance 電感 Inductance 串擾 CrossTalk 耐電壓 withstandingvoltage 應用可焊性 互配 互換性 易用性 成本 物理及機械性能連接器外型及外型的保持 插入力 拔出力 mating unmatingforce 產品的耐久性 durability 8 2 2電連接器的性能需求 LLCR 三個主要來源 體電阻 連接器導體自身的電阻夾縮電阻 由於電流的通道突然變小 而形成的電阻 薄膜電阻 由於接觸區域存在的電阻率較大的物質薄膜而產生的電阻 前者是相對穩定的 而後面兩項與接觸面面間的正向力相關 正向力愈大 阻值愈小 低接觸阻抗 LowLevelContactResistance 有時也稱為低功率阻抗 是連接器在低電壓小電流條件下測的電阻 9 2 2電連接器的性能需求 耐磨性 由於環境中振動和溫度變化時刻存在 再端子介面間始終存在著向對的位移 稱為微位移 micro motion 導致接觸介面間的磨擦 磨損 正向力 normalforce 決定了接觸面之間的磨損狀態 大的正向力使粘性磨擦加劇 但是可以減小微位移 頻繁插拔的情況下 大的位移迫使粘性區域分離形成磨粒 所以在可分離式連接處正向力不可以過高 10 2 2電連接器的性能需求 溫昇控制 TransientTemp Contour Highest35 6oC SteadyStateTemp Contour Meshoftheconnectioncontacts ElementType DC3D8E J 0 5AT 24 3oC V 0 0T 25 3oC heattransfer 23 3oC 25 3oC 電流從導體中通過 由於焦耳熱 Jouleheat 的產生會使導體導體 連接器的溫度升高 破壞連接器的其他性能 11 2 2電連接器的性能需求 耐久性 連接器的工作環境千差萬別 設計時需要滿足各種不同耐久性的需求 多次差拔 Durability 衝擊震動 Shock Vibration 溫度循環 ThermalCycling 等狀況都將使連接器的性能受到損害與破壞 12 第三章金屬材料性質簡介 連接器的性能很大程度上決定於端子的設計 而端子的設計又是以材料的性質為基礎的 主要針對連接器設計中常用到金屬材料 銅材的為例來介紹連接器常用金屬材料的關鍵性質 材料的應力 應變曲線材料的導電性能除了銅 合金 材以外 不鏽鋼是另一種最常用的金屬材料 這裡不做介紹 可以類比銅材理解 13 3 1金屬機械性能 拉伸實驗 StressStrainCurve TensileTest 材料基本的機械性能使用如有下圖所示的拉伸實驗得到的 要的參數有 楊氏 彈性 係數E 比例極限 A 拉伸強度 C 延伸率 C 屈服強度 B 該參數實際使用中常用 0 2代替 14 3 2金屬電氣性能 電導率 電阻 Resistance R unit Resistivity Conductivity 電導率Conductivity unit 1 S 國際回火銅標準IACSInternationalAnnealingCopperStandard IACS相對於純銅的電導率 或導電性 純銅在20 C條件下的電導率為100 材料的電導率 conductivity 是反映材料導電能力的一個指標 與電阻率 resistivity 互成倒數 15 3 3認識銅 元素位置和晶格 29Cu銅58 69 29號元素 面心立方 原子填充率74 16 3 3認識銅 基本性質 纯铜呈紫红色 熔点约1083 4 沸点2567 密度8 92g cm3純銅的性質柔軟有韌性 具有良好的延展性 1g纯铜可拉成3000m细铜丝或压延成面积为10m2几乎透明的铜箔 是電 熱的良導體 纯铜的导电性仅次于银 有耐蝕性 可不加表面之保護處理 而廣泛的用於製造桶 屋頂 水槽及銅絲等器物鋼經軋延出廠者其表面呈現淡紅且明亮之黃色 但曝露於空氣中時其表面很快的變成無光澤的純紅色若曝露於濕氣中時其表面常變為純綠色 經過鎚打時或軋延後鋼質會變硬而脆 17 3 3認識銅 材料的強度 滑移理論 空穴 位錯的缺陷的存在 使得原子之間的容易產生滑移 從而發生屈服產生 永久變形 銅的原子排列 晶格結構 為面心立方 在結構上具有較好的對稱性 滑移後很容易再形成鍵 具有很好的延展性 材料的性質決定於晶格的類型和內部的缺陷狀況 改變結構就可以改變其性質 18 3 4銅材強化及其機理 3 3 1固熔硬化 SolidSolutionHardening 取代形原子 substitutionalatom 如錫 鋅 鎳 插入形原子 insertitialatom 如鋁 鈹 固熔硬化的機理 有兩種類型的固熔硬化措施 通過這些加入的金屬或非金屬原子可以阻止晶格缺陷的移動 從而提高材料強度 固熔硬化的效果 銅合金 19 3 4銅材強化及其機理 工业标准 industrialstandard 三位数系统 取代 較少使用合金統一數字系統UNS UnifiedNumberingSystemforMetalsandAlloys 由CDAASTME527管理鈹銅常用的記法國際標準化組織ISO欧洲DIN17666采用中國國家標準 GB 類比使用日本工業標準JIS Japaneseindustrialstandard 日本采用磷青銅名稱使用 C172 C17200 CuBe2 C1720 C521 C52100 CuSn8 C5210 固熔合金的記法 業界有三種常用的標準來標記固熔合金 目前還有一些供應商使用自己的產品的商標名稱作為材料的命名方法 這些合金多數是一些多成分合金 或者暫時沒有在UNS中取得名稱的新型合金 如Stol92 20 3 4銅材強化及其機理 AlloygroupUNSdesignationPrincipalalloyelementsexampleCoppers1C101 C1579Ag As Mg P ZrC110Highcoppers2C162 C199Cd Be Cr FeC193 C194BrassC210 C280ZnC268LeadcopperC300 PbC390TinbrassC404 C465Sn ZnC425Tin phosphor bronzeC501 524Sn PC519 C521AluminumbronzeC608 C642AlSiliconbronzeC647 C661Co SiModifiedbrassC664 C697Zn Al CoC680CoppernickelC701 C729Ni FeorNi Si SnC7025SilvernickelC735 C798Ni Zn 銅合金群UNS記法及連接器領域常用的合金舉例 21 3 4銅材強化及其機理 CrystallineGrainStructure Materialyielding SlipPlane Weaken MovementofDislocation Dislocationstoppedbyagrainboundary Dislocation grainboundary 3 3 2冷做硬化 ColdWorkingHardening 冷做硬化的機理 根據滑移理論 在結構不連續的地方發生滑移是困難的 冷做硬化就是通過冷加工金屬晶粒變小 使發生滑移的缺陷受阻從而提高材料的強度 晶界阻擋使滑移不再繼續發生 22 3 4銅材強化及其機理 冷作硬化 coldworkhardening 拉伸實驗中的硬化現象 冷輥壓 使材料充分變形Coldworkrolledstrip 退火處理 重新形成細小晶粒Annealing Growthofnewgrainswithinoldgrains 冷做硬化的效果 23 熱硬化ThermalHardening時效硬化Agehardening析出 沉澱 硬化precipitationhardening ThermalHardeningmechanism Diffusionbyatomsexchangingplaces Vacancydiffusion precipitationhardening SpinodalDecomposition 3 4銅材強化及其機理 3 3 3析出硬化 AgeHardening 析出硬化的機理 材料中的原子或者空穴通過熱擴散或自然擴散 會形成局部富集區 從而造成週邊的金屬晶格發生變形 使得發生滑移的機會大大降低 提高強度 24 3 4銅材強化及其機理 Time O A為固熔 熱軋製A B淬火 quench 冷作硬化 回火B C中間加工C E析出硬化 析出硬化的例子 C17200 1 2HM 廠內衝制之後熱處理 進一步提昇強度 25 3 4銅材強化及其機理 ASTMB601等 Coldworkinghardening Solidsolution agehardening 冷做硬化和析出硬化的記法 冷做硬化和時效硬化 析出硬化對於不同的析出類型 分別有對應的業界表準做規定 如ASTMB601 ASTMB740等 一些廠商也有一些規定的記法 26 3 5銅合金導電性的變化 Purecopper Phosphorbronze E 熱運動 在電場作用下定向熱運動行程電流 原子核熱振動電子運動 吸引 碰撞 原子核熱振動加劇電子運動 吸引 碰撞機率增加 電阻 是載流子運動中受到原子核吸引 以及與原子內層電子雲發生碰撞而使電子移動受到的阻擋作用 它與導體的晶格結構 溫度等因素有關 合金的效果使金屬得到導電性變差 任何改變基本晶格結構的加工過程都將改變導電性 27 3 6銅合金導電性與強度 合金元素和合金比例都會影響到合金的強度和導電性 熱處理的狀態也會影響到導電性 同時熱處理的狀態還會引起材料彈性係數的改變 在設計中需要綜合考量 28 3 7應力鬆弛 STRESSRELAXATIONCURVES STRESSRELAXATIONTESTAPPARATUS Betweensolutions Betweenhardening stresslevel Betweensolutions stresslevel 應力鬆弛 StressRelaxation 金屬在長時間受到外部作用發生變形的情況下 是解除负载后 材料无法恢复原来的形状的趋势 受到應力大小 溫度以及材料本身抵抗應力鬆弛能力的影響 短期行為 應力鬆弛行為 應力鬆弛示意圖 應力鬆弛的應力應變曲線 29 3 8疲勞 FATIGUECURVES FATIGUETESTCONDITIONS 金屬疲勞 Fatigue 金屬被多次的加載 去載的條件下 它就會在極限強度 UltimateStrength 前斷裂 稱為疲勞斷裂 FatigueFailure 在特定的載核條件下發生疲勞斷裂的加載 去載的次數稱為該條件下的疲勞壽命 與受到的應力大小及其循環特徵有關 端子的疲勞直接影響到連接器的使用壽命 30 3 9硬度 Hardnesstest Hardnesstestpitfalls Hardnessteststandard 硬度 hardness 指固體材料抗拒永久形變的特性 三種主要的硬度定義方式包括 刻劃硬度 壓入硬度 回彈硬度 動態硬度 或絕對硬度 是材料最容易測試 廣泛參考使用的性質 但是定義不明確 最常用的是壓入硬度 31 3 10成形性 formability R tratio 成形性 formability 指材料是否容易折彎的性質 主要反映在折彎使的內折彎半徑和料厚的比值 越小越好 通常在材料的壓延方向的成形性要優於垂直壓延方向 並以好方向 壞方向 goodway badway 區分 這個性質影響到設計時對於最小折彎半徑的設計選擇 對於衝壓製程的設計非常重要 32 3 11成本係數 costfactor C2680 C5210 C7025 C172 成本關係到產品的的獲利 在設計選材時需要考慮的因子之一 成本係數 costfactor 用某一選定的銅材為基準 評估的其他材料的的相對係數 鈹銅成本高最高 黃銅價格最低 33 3 12性能與材料性質的交互作用 MaterialProperties DesignVariables DesignParameters PerformanceParameters 材料性質 設計參數 產品性能在整個產品的生命週期中是相互關聯 相互影響的 設計時需要綜合考量各種因素 從而取得設計的平衡點 34 3 12電連接器的性能 交互作用 單從正向力一個設計指標來看 一個好的設計應當考慮到產品應用的多個層面 使之能夠在產品的整個生命週期中都能夠滿足功能要求 正向力的設計就需要考慮到疲勞 fatigue 應力鬆弛 stressrelaxation 永久變形 permanentset 及兼容公差等 35 第四章端子優化設計與銅材選用 本章以一個簡單的選臂梁為例 在簡單的考慮公差與正向力需求的設計目標為約束的條件下 進行優化端子和選定材料材料的過程來說明端子設計和選材的基本流程 附加一個通過溫昇來選擇材料的例子 比較幾中常用材料的特性 36 4 1端子設計流程 Miniaturization Lowernormalforce Higherpincounts Fasteroperatingspeeds Higheroperatingtemperatures Surfacemountsoldering Lessconservativedesigns Shorterdevelopmentcycles Lowerprice Greaterdurability Mechanical Electrical System Materials Environment 設計過程因為性能 材料之間的交互作用的存在而是一個疊代循環的過程 37 4 1理論基礎 懸臂梁理論 Smax 各個變量對於正向力和最大應力的影響的是不同的 所以幾何優化達成設計目標的可能性是存在的 這是設計優化的第一個疊代循環 對於確定的形狀 正向力與變形量 最大應力的關係是確定的 折成為後續優化的基礎 CantileverBeamUsedforlinearelasticcaseonlySmalldeflections 38 4 2懸臂梁優化的例子 P L d h b sa Availablematerial smax sy yieldstress Maximumnormalforce Pmin 30gf Performancerequirement Minimumnormalforce Nopermanentset Pmax 90gf Deflectiontol 0 10 Processrequirement l 4mm Maximumspacereqirement 設計要求 39 4 2懸臂梁優化的例子 分析 40 4 2懸臂梁優化的例子 C5210R 1 2H E 11200 sy 55kgf mm 2 C5210R 1 2H C5210R SH E 11200 sy 69 76kgf mm 2 設計優化 41 4 3溫昇設計的例子 Electricalpotentialfield Notes 2m interfacecontactinterfacerisistanceisassumed assumingconstant20 Catboardback 0VconstantatPCBsurface 1 9AmpcurrentinputPs ThecurrentwillredistributebaseonresistanceinTrisingsimulation 1 2 Temperaturerising 要求 T 30 C 可選設計 42 4 4常用銅合金 稀釋銅合金又稱高銅合金 指合金元素含量低於4 的銅合金具有最高的導電率在一般壓力和高壓力下的具有極佳的耐腐蝕能力拉伸強度低於大約500Mpa拉伸強度在相對零溫度到80攝氏度之間提供了很好的對壓力松馳的抵抗能力適用於電源連接器 低合金銅 DiluteCopperAlloys 43 4 4常用銅合金 C2680 H02 27 470 530 7 較高的導電率應力鬆弛係數是適中製造工作溫度 環境溫度或焦爾熱 適中且成本低的電連接器 改性黃銅 ModifiedBrasses 44 4 4常用銅合金 含1 到10 之間的錫通過固熔硬化和增加錫元素給予銅的加工硬化率而達成強度提高低導電性錫銅合金不適用於高電流接觸 而應用於電信號傳輸上更好錫銅對伸縮的抵抗力直到接近125度都有良好的特 磷青銅 PhosphorBronze 45 4 4常用銅合金 高溫時 高強度 良好成型性 優良的應力鬆弛阻抗力適中的導電性 析出強化合金 PrecipitationHardening 46 4 4常用銅合金的比較 47 第五章結論 產品設計是一個系統工程 必須考慮產品的製造和應用的各個環節 銅材選用的基本考量點是normalforce設計 必須要考慮到公差和永久變形的影響 並為後續使用設計安全係數 導電性是銅材選用的另一重要準則 LLCR和溫昇 電源連接器 是基本的設計要項 銅材的成分及微觀結構決定了大部分的性質和製造特性 了解其基本原理 對於銅材選用的很強的指導意義 48 第六章思考題 請說明連接器低接觸阻抗的來源及其主要影響因素 請劃出銅材拉伸實驗的輸出曲線 並對座標軸及去線上的特徵點做簡要說明 請說明影響端部受到位移載荷作用的矩形等截面懸臂梁反作用力和應力的因子 如何判定設計的端子是否會發生永久變形 舉例說明那些因素將影響端子的正向力設計請說明IACS的涵義及其與金屬導電性的關係請說明黃銅 磷青銅 鈹銅的一般選用準則 對於冷做硬化銅材 如磷青銅 的回火狀態等級有那些 其硬度 屈服強度 的順序是怎樣的 49 AppendixI Electrical ThermalProperties Thermalconductivityislinearproportionaltoelectricalconductivity wecanestimateeachotherbythis 50 AppendixII MechanicalProperties 51 AppendixIII OverviewofUNS ThisisanoverviewoftheUNSsystem withspecialemphasisoncommoncommercialalloys Aswithanysystem thereareambiguitiessuchasthedistinctionbetweenani