连接器铜材选用幻灯片.ppt

編撰人:俞威日期:2006年09月20日,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,RevisionChangeDescription:,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3.53.9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,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,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.,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,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,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),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.,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.,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.,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.,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.,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.,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.,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.,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.,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.,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,4.2懸臂梁優化的例子,P,L,d,h,b,sa,Availablematerial,smaxsy(yieldstress),Maximumnormalforce,Pmin30gf,Performancerequirement,Minimumnormalforce,Nopermanentset,Pmax90gf,Deflectiontol.=0.10,Processrequirement,l4mm,Maximumspacereqirement,設計要求,4.2懸臂梁優化的例子,分析,4.2懸臂梁優化的例子,C5210R-1/2H:E=11200,sy=55kgf/mm2.,C5210R-1/2H,C5210R-SH:E=11200,sy=69.76kgf/mm2,設計優化,4.3溫昇設計的例子,Electricalpotentialfield,Notes:2m/interfacecontactinterfacerisistanceisassumed.,assumingconstant20。Catboardback.,0VconstantatPCBsurface,1.9AmpcurrentinputPs:ThecurrentwillredistributebaseonresistanceinTrisingsimulation,1,2,Temperaturerising,要求T30C,可選設計,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),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),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),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),4.4常用銅合金的比較,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,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?,AppendixIElectrical&ThermalProperties,Thermalconductivityislinearproportionaltoelectricalconductivity,wecanestimateeachotherbythis.,AppendixIIMechanicalProperties,AppendixIIIOverviewofUNS,ThisisanoverviewoftheUNSsystem,withspecialemphasisoncommoncommercialalloys.Aswithanysystem,thereareambiguitiessuchasthedistinctionbetweenanickel-basedsuper-alloyandahigh-nickelstainlesssteel.Axxxxx-AluminumAlloysCxxxxx-CopperAlloys,includingBrassandBronzeFxxxxx-Iron,includingDuctileIronsandCastIronsGxxxxx-CarbonandAlloySteelsHxxxxx-Steels-AISIHSteelsJxxxxx-Steels-CastKxxxxx-Steels,includingMaraging,StainlessSteel,HSLA,Iron-BaseSuper-alloysL5xxxx-LeadAlloys,includingBabbitAlloysandSolderAlloysM1xxxx-MagnesiumAllo