电子连接器设计基础010628

1、 電子連接器設計基礎陳立生工業技術研究院2001, 7設計要件1.正向力設計2.最大應力設計3.保持力設計4.接觸電阻設計5.金屬材料選用6.應力釋放設計1.1 正向力設計n鍍金端子正向力：100 gf 或小於 100 gf。n鍍錫鉛端子正向力必須大於 150 gf。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/unmating force 有關。n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。n正向力會嚴重影響電鍍層之耐磨耗性。1.2 正向力與接觸電阻

2、關係050100150200250Normal Force ( gf )0.010.020.030.040.050.0LLCR ( mOhm )T:0.15 R:0.30 Au: 1Sample 1Sample 2Sample 3Sample 4Sample 52.1 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2.1 端子應力設計實例材料強度 = 750 Mpa大小端子應力值(1)

3、 703 Mpa(2) 1111 Mpa(3) 1244 Mpa(4) 1355 MPa2.2 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。2.3 臨界應力設計實例2.3 臨界應力設計實例位移(mm)最大應力 (Mpa)

4、永久變形量(mm)Cycle No.理論值FEM理論值/材料強度0.22975250.40100000.34457870.60.01100000.459410500.80.02100000.574213121.00.05100000.689115751.20.0980000.7104018381.40.1550000.8118821001.60.20 0.9133723631.80.2720001.0148526252.00.34 2.4 正向力結果之比較0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.0500.000.511.5NormalForc

5、e(Excel;g)NormalForce(FEM:g)NormalForce(Measure;g)2.5 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 11.21.21.41.41.61.61.81.82 2理論應力 / 材料強度永久變形量 (mm)2.6 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2.7 端子反覆耐壓實驗端子位移0.7mm0501001502002501100

6、12001 30014001 50016001 70018001 9001Cycle數正向力(g)2.8 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。3.1 保持力設計n在連接器 smt 化及

7、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3.2 保持力設計參數n保持力設計參數包括：塑膠選用，端子卡榫設計，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3.3 保持力實驗設計3.4

8、 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)3.5 保持力設計準則1.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。2.一般而言：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。3.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

9、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)。3.5 保持力設計準則4.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。5.單邊卡榫較雙邊的保持力大。6.雙凸點較單凸點的保持力大，但不明顯，可以忽略。7.凸點前的導角角度與保持力無關。8.較薄的板片保持力也相對的較低9.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。，3.6 保持力設計實例3.7 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

10、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_F82 I391r_F41 I4164.0 Contact resistance.111fcbulkRRRCR4.1 接觸電阻設計n電子連接器接觸電阻設計包括兩部分：1

11、.端子材料電阻2.接觸端電阻4.2 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 (%)4.3 接觸點電阻n正向力在 50-150 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。0501001502002

12、50Normal 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)(gfFmRC4.4 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

13、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。4.5 接觸電阻案例1.請計算接觸電阻1.23.22.25.53.29.84.33.35.1 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。5.2 應力釋放相關資料(1)5.2 應力釋放相關資料(1)6.1 Temperature rise n大電流連接器必須考慮溫度上升效應，通常設計在 30 的範圍內，簡單的計算可使用以下之保守公式：2222ALJTT : deg