连接器设计手册

1,东莞昆嘉电子有限公司連接器設計手冊,Design Guide for Connector,2,目录1.連接器產品基本特征2.塑膠零件設計 2-1.塑膠結構設計 2-2.塑膠材料選擇3.端子五金零件設計 3-1.保持力設計 3-2.正向力設計 3-3.端子應力設計 3-3.銅材選用4.高頻設計5.電鍍設計6.PCB焊接技術簡介,3,连接器的特性,高速傳輸(High speed transmission)散熱(Heat dissipation)電磁波/高頻測試(EMI/RFI)噪音(Acoustics)電力分配(Power distribution)結構(Mechanical design)外觀(Product styling & Cosmetics)環保(Environmental protection & Recycling),4,輕量化(Low Weight)小型化,小pitch化(Minimum Size)低成本(Low Cost)高性能(Height Performance)量产性(Height Productivity),连接器设计理念,5,设计程序,6,第一章. 塑膠零件設計,7,2-1.塑膠零件結構設計-壁厚(Thickness)設計,設計原則:1.壁厚均勻2.盡可能小的肉厚3.受力處和合膠線處要有足夠的厚度,保證一定的強度(圖示),合膠線,受力面,如果無法避免不均勻的肉厚設計時,應盡量采用逐步過渡的形式,避免突變,否則容易產生變形,不好的設計,好的設計,肉厚過渡部份,8,2-1.塑膠零件結構設計-壁厚(Thickness)設計,左圖肉厚設計不均勻,右圖為改進後的設計,肉厚設計均勻,成型時不易產生縮水,氣泡,變形等不良現象,Good,Good,Bad,Bad,9,2-1.塑膠零件結構設計-加強筋(Rib)設計,主體肉厚: T拔模角度D: 0.5 -1.5 加強筋高度: 小於5T(一般為2T3T加強筋間距: 2T3T連接圓弧半徑: R=0.250.4T寬度(W): 0.40.8T(PC/ABS小於0.5T, ABS為0.5-0.7T),10,2-1.塑膠零件結構設計-凸台設計,凸台尺寸設計規范主壁厚: T拔模角(d): 0.5 -1.5 凸台高度: 小於5T(一般2.53T)過渡圓弧半徑R: 0.25T0.40T凸台厚度(W): 0.4T0.8T,11,2-1.塑膠零件結構設計-角撐(Gussets)設計,12,2-1.塑膠零件結構設計-一般圓角設計,13,連接器設計選用塑膠原料的原則 由於連接器的housing結構特點基本上都是,薄肉(最小的小於0.2mm),多pin孔,細長結構,同時因應IT行業的產品更新換代快,競爭激烈,所以材料的選擇必需遵循一下的原則:流動性好,可成型肉厚較薄的產品(如LCP,PPS,NAYLON類)高強度,抗沖擊性,耐高溫(SMT焊接制程的需要)優異的電氣性能(高絕緣電阻,低的介電常數)冷卻速度快(縮短成型周期,提高效率,節約成本)在滿足性能的狀況下,盡量選用價格便宜的材料,14,連接器設計常用的塑膠原料特性比較,15,16,17,18,19,20,第二章. 端子零件設計,21,1. 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。2. 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。3. 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,保持力的作用:固持端子于Housing中,防止脫落焊接時,提供Connector,整体保持力檢驗端子壓狀況及隔欄強度狀況(耐電壓性能),22,保持力設計參數包括：塑膠選用，端子卡榫設計，干涉量設計。 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。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0.03mm-0.13mm 之間,3-1. 保持力的影響因素,23,3-1. 保持力的影響因素,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)。,24,3-1.卡榫的結構設計,雙尖點雙邊卡筍,單尖平面單邊卡筍,單尖雙邊卡筍,單尖單邊卡筍,雙尖點單邊卡筍,單尖平面雙邊卡筍,25,3-1.卡榫的結構對保持力的影響,1. 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。2. 單邊卡榫較雙邊的保持力大。3. 雙凸點較單凸點的保持力大，但不明顯，可以忽略。4. 凸點前的導角角度與保持力無關。5. 較薄的板片保持力也相對的較低6. 總結而論：端子和塑膠接觸面積越大，保持力越大，而且其效果非常明顯。,26,3-2. 端子正向力設計,鍍金端子正向力：50-150 gf 。鍍錫鉛端子正向力必須大於 150 gf。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/unmating force 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。,27,鍍金端子正向力輿接觸阻抗的關係,圖示曲線表明:當正向力大於50gf後,接觸阻抗幾乎不隨正向力而變化,28,端子正向力的設計必需考慮材料的最大應力,端子理論應力的計算方法如下:,d : 位移量 (mm) E : 彈性係數 (110 Gpa) s : 最大應力(Mpa) F : N(50-100gf),* Forming and blanking 端子設計差異及重點,F:理論正向力,29,理論應力 / 材料強度,永久變形(mm),永久變形輿理論應力的關係,30,永久變形輿正向力的關係,31,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2000 cycles.若產品設計應力高出材料強度很高時很容易產生跪pin現象。,永久變形輿應力的關係,32,端子接觸理論,SURFACE1,SURFACE2,P,P,P,P,P,P,33,幾何接觸形態,球對平面接觸,圓柱對圓柱接觸,圓柱對平面接觸,平面對平面接觸,34,電流流過端子接觸區域時的總電阻值(RT),是為体積電阻值(RB),擠縮電阻值(RC),和簿膜電阻值(Rf)的總和,Rc,Rf,R +,1,1,1,+,+,.,CR=,bulk,R,R,c,f,SURFACE1,SURFACE2,P,P,P,P,P,P,35,接觸阻抗,實際阻抗 實際阻抗值=素材阻抗接觸阻抗,素材體積阻抗,L : 端子導電長度 (mm)A : 端子截面積 (mm2): 導電率 (%)純銅之電阻係數=17.24110-3,(Cf, Rk, Ie取值見附頁),36,一般材料導電率表,37,38,39,低接觸電阻與素材電阻而滿足迴路需求腐蝕電阻須低確實插入時，須有低摩擦力與良好的導電性適當的彈性特性價格須低傳導性(Conductivity)最小素材電阻延展性(Ductility)幫助端子之成形降伏強度(Yield Strength)在彈性範圍內，可擁有大的位移應力鬆弛(Stress Relaxation)端子於長時間受力或使用於高溫時 抗拒負載能力仍能維持硬度(Hardness)減少端子金屬的磨損,銅材選擇基本要求:,40,連接器端子常用銅材,黃銅 (Brass) - 價格低,導電性佳,機械強度差磷青銅(Phosphor Bronz) - 價格中等,導電 性略差,機械強度佳.鈹銅(Beryllium Copper) - 價格高,導電性及 機械強度均佳.,41,隨著合金強度增加 : 成型性降低 最小的彎曲半徑:內R=1倍銅板材料厚度 材料沖壓特性 方向與幾何特性,端子材料成型性特點,42,端子彈臂結構形狀,Reflex Spring,Rolling Leaf Spring,Double Reflex Spring,Pre-loaded Contact Spring,43,第三章. 連接器高頻設計,44,高頻連接器的基本參數:串音:信號在導體內傳輸時受外部電磁波干擾的現象阻抗匹配:高頻信號傳輸時連接器是阻抗不匹配的可能發生點,電感(L):傳輸導體的電感電容(C ):端子之間的雜散電容爬升時間(Tr):信號的爬升時間短-高頻,爬升時間短阻抗匹配困難,45,46,47,48,49,連接器在高頻工作時,信號的傳輸類似波的行為,傳輸過程中會發生以下現象:散射: 信號可能會在空間散布,影響到臨近的端子,或受外來電磁波的影響,即所謂的串音或電磁干擾(EMI),電磁波的能量形式通常用電感L,電容C來表示,L和C越大,干擾越大阻力: 電磁波經不同的環境會有不同的傳輸行為,具體來說,類似直流電的電阻,稱為阻抗(Impedance),阻抗是L和C的組合效應:Z0=L/C ,只有當所有傳輸路徑的阻抗差不多時,傳輸才會順利,否則會發生反射,即阻抗不匹配(Impedance mismatch).爬升時間越短,阻抗匹配越困難,50,因連接器之目的即為傳輸信號,而傳輸線的電容,電感取決於導體的几何形狀和介質特性電容:C=,AD,若是設計不良,則會導致信號傳輸延遲,訊號扭曲及阻抗不匹配的現象,信號傳輸的路徑越長,L越大,材料(輿housing材質有關)的介電常數越大,C越大,所以高頻連接器的設計必需考慮端子的形狀和材料的選擇,51,第四章. 連接器電鍍的功能和目的,52,連接器電鍍的功能和目的,53,第五章. PCB焊接技術簡介,54,一.分類說明: 按與母板(P.C.B)焊接方式不同,PC連接器可分為鍍層穿孔(Plated Through Hole)和表面粘著(Surface Mount)兩種. 1.鍍層穿孔(簡稱T/H). T/H是把圓形,矩形,四方插腳(Solder Tail)插在P.C.B的通孔里,過波峰焊(Wave Solding)焊在P.C.B上的技術. T/H的特點是:結構簡單,操作方便,對材料要求不高,成本較低, 因而應用廣泛. 缺點是:需要穿孔,故P.C.B只能單層安裝元件.,PCB組裝的分類,55,2.表面貼裝(簡稱SMT) SMT是在P.C.B上使用焊錫墊(Solder Pad),使其高溫融化與連接器管腳焊在一起的技朮.它的優點是:可以雙面安裝,增加P.C.B使用面積層數,使其 布線更合理,更緊湊.它的缺點是:安裝定位要求高,需要耐高溫材料,如(PA6T. PPS.LCP等),成本較高.,Welding Between Connector And Printed Circuit Board,56,印刷電路板,電阻,積體電咯IC,焊點,焊墊,(a)傳統零件之焊點結構,印刷電路板,焊點,焊墊,電阻,(b)SMT零件之焊點結構,57,對於T/H焊接,一般焊錫腳輿PCB板孔的間隙在0.20.4mm之間最為合適,推薦使用的焊錫腳大小見附表; 端子腳露出PCB的長度:一般要保證良好的焊接效果,端子腳長度需高出PCB板0.8mm以上,58,SMT之優點 1,可使封裝密度提高50%-70%; 2,可將多個零件合並於一個SMA相; 3,可用更高腳數之各種零件; 4,提高傳輸速率; 5,組裝前無須任何準備工作; 6,具有更多且快速之自動化生產能力; 7,減少零件貯存空間; 8,節省製造廠房,且總成本降低.,59,發料Parts Issue,基板烘烤Barc Board Baking,錫膏印刷Solder Paste Printing,泛用機貼片Multi Function Chips Mounring,迴焊前目檢Visual Insp.b/f Reflow,熱風爐迴焊Hot Air Solder Reflow,修理Rework/Repair,迴焊后目檢,測試,品管,入庫Stock,修理Rework/Repair,點固定膠Glue Dispensing,高速機貼片Hi-Speed Chips Mounting,修理Rework/Repair,SMT技術組裝流程圖Surface Mounting Technology Process Flow Chart,60,Slope:Keep the slope low to minimize motherboard warping during preheat.,Peak temp,245+/-5deg C,Slops 3deg-C/sec,Time liquidus 45-90 seconds,Slop 3deg-C/sec,Hold at 130-160 deg C for approx.2 minutes,183 C,Board Temp,(升溫區),(恆溫區),(溶解區),(冷卻區),Time,130-160C range:Extended period allows board temperature to stabilize(warp) and allows flux to finish cleaning prior to reflow.Also help minimize thermal of reflow.,SMT Process,61,250,200,150,100,50,0,0,32,64,96,128,160,192,224,256,288,320,352,384,焊接曲線Rcflow profile,s,62,1.平面度要求: 平面度是SMT連接器最重要的參數之一.如果變形大,就會在P.C.B上 虛焊,漏焊.它一般受TAIL本身平面度.焊錫墊平面度及塑膠本体之變形等影響.在檢測方面有CCD2.TAIL真直度要求: 因為客戶P.C.B上焊錫墊的寬度及位置是固定的.如果TAIL之真直度不符規格,則會造成錯焊.斜焊等嚴重不良.3.導通要求: 連接器最基本功能是導通,SMT連接器因其PITCH小,端子強度較弱,故導通測試實驗上較難掌握,治具檢測方法不當,即會造成TAIL和BELLOW變形.4.塑膠耐焊錫熱變形要求: SMT連接器的焊接一般要經過兩次高溫,其不良主要表現在過焊錫后變形超過規格及塑膠本身起泡而影響焊接品質,克服此不良主要從材料,成型條件,成型机台方面考慮.,SMT對連接器功能