经典连接器设计教程

1、n正向力設計n最大應力設計n保持力設計n接觸電阻設計n金屬材料選用n應力釋放設計l鍍金端子正向力：100 gf 或小於 100 gf。l鍍錫鉛端子正向力必須大於 150 gf。l正向力與產品的可靠性有絕對的關係。l正向力與接觸電阻有密切的關係。l若 PIN 數大於 200 可適度降低正向力。l正向力與 mating/unmating force 有關。l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。l正向力會嚴重影響電鍍層之耐磨耗性。050100150200250Normal Force ( gf )0.010.020.030.040.050.0L

2、LCR ( mOhm )T:0.15 R:0.30 Au: 1Sample 1Sample 2Sample 3Sample 4Sample 5材料強度 = 750 Mpa大小端子應力值703 Mpa1111 Mpa1244 Mpa(1) 1355 MPal最大應力材料強度( 680-780 MPa for C5210EH )。lFEM 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。22336234bhLFLdEhLdEbhF d : 位移量 (mm) E : 彈性係數 (110 Gpa) : 最大應力(Mpa) F : N(98gf)理論

3、最大應力理論正向力* Forming and blanking 端子設計差異及重點材料強度 = 750 Mpa大小端子應力值703 Mpa1111 Mpa1244 Mpa(1) 1355 MPal最大應力材料強度( 680-780 MPa for C5210EH )。lFEM 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。l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。l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

4、次數。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0.22975250.40100000.34457870.60.01100000.459410500.80.02100000.574213121.00.05100000.689115751.20.0980000.7104018381.40.1550000.8118821001.60.20 0.9133723631.80.2720001.0148526252.00.34 0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.0500.000.511.5Nor

5、malForce(Excel;g)NormalForce(FEM:g)NormalForce(Measure;g)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)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位移0.7mm050100150200250110012001 30014001 50016001 70018001 900

6、1Cycle數正向力(g)l以理論方式計算之正向力非常接近實驗值。l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。l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。l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.l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。l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。l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

7、housing 內應力，易造成housing 變形。l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l保持力設計參數包括：塑膠選用，端子卡榫設計，干涉量設計。l 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。l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。l干涉量通常設計在40 mm-130 mm 之間l卡榫的設計變數包括：單邊與雙邊單凸點與雙凸點凸點平面寬度(4,8 mm)凸點插入角度(30, 60)前後凸點高度差(0.02, 0.04 mm)n塑膠材料的保持力差異性很

8、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。n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。n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，保持力呈线性的方式增加，增加的量隨材料及卡榫設計的差異約在30-120 (gf/10mm)。n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。n單邊卡榫較雙邊的保持力大。n雙凸點較單凸點的保持力大，但不明顯，可以忽略。n凸點前的導角

9、角度與保持力無關。n較薄的板片保持力也相對的較低n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。， 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 I14

10、6r_F53 I60r_F36 I31B22r_F74 I222r_F43 I196r_F77 I270r_F73 I646r_F82 I391r_F41 I416.111fcbulkRRRCRl電子連接器接觸電阻設計包括兩部分：n端子材料電阻1.接觸端電阻l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。l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)

11、A : 端子截面積 (mm2) : 導電率 (%)l正向力在 50-150 gf 之間接觸點電阻值在4-8 m-ohm。l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)(gfFmRCl接觸電阻包含端子材料電阻和接觸點電阻兩項和。l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

12、子材料電阻即是接觸電阻。l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。l接觸端的半徑對接觸電阻值沒有顯著影響。l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。n請計算接觸電阻n23.2n25.5n29.8n33.3l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。l溫度越高，受力時間越長，應力釋放的越大l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。l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。l大電流連接器必須考慮溫度上升效應，通常設計在