连接器设计基础.ppt

1、Prepared by: Quan-Zhou Date: 2012/07/09,連接器設計基礎,1,青蛙的故事With regard to Frogs story,將一隻青蛙放在大鍋裡，裡頭加水再用小火慢慢加熱，青蛙雖然約略可以感覺外界溫度慢慢變化，卻因惰性與沒有立即必要的動力往外跳，最後被熱水煮熟而不自知！,2,猴子的故事With regard to Monkeys story,科學家將四隻猴子關在一個密閉房間裡，每天餵食很少食物，讓猴子餓的吱吱叫。幾天後，實驗者在房間上面的小洞放下一串香蕉，一隻餓得頭昏眼花的大猴子一個箭步衝向前，可是當牠還沒拿到香蕉時，就被預設機關所潑出的滾燙熱水燙得全身

2、是傷，當後面三隻猴子依次爬上去拿香蕉時，一樣被熱水燙傷。於是眾猴只好望蕉興嘆。 幾天後，實驗者換進一隻新猴子進入房內，當新猴子肚子餓得也想嘗試爬上去吃香蕉時，立刻被其他三隻老猴子制止，並告知有危險，千萬不可嘗試。實驗者再換一隻猴子進入，當這隻新猴子想吃香蕉時，有趣的事情發生了，這次不僅剩下的二隻猴子制止牠，連沒被燙過的半新猴子也極力阻止牠。 實驗繼續，當所有猴子都已換新之後，沒有一隻猴子曾經被燙過，上頭的熱水機關也取消了，香蕉唾手可得，卻沒人敢前去享用。,3,老鷹的故事With regard to Gledes story,老鷹是所有鳥類中最強壯的種族，根據動物學家所做的研究，這可能與老鷹的餵

3、食習慣有關。老鷹一次生下四、五隻小鷹，由於牠們的巢穴很高，所以獵捕回來的食物一次只能餵食一隻小鷹，而老鷹的餵食方式並不是依平等的原則，而是哪一隻小鷹搶得凶就給誰吃，在此情況下，瘦弱的小鷹吃不到食物都死了，最凶狠的存活下來，代代相傳，老鷹一族愈來愈強壯。,4,內容-Contents,1.連接器概述 2.連接器類型 3.連接器功能特性 4.連接器材料選擇 5.設計中的一些建議規范 6.公差分析簡述 7.連接器基本估算 8.產品估價 9.產品形位公差標注說明 10.Q 2.可提供分離的介面用以連接兩個次電子系統(具有可分離性); 3.對系統運作不會產生不可接受的作用; 4.可攜帶性和支持外圍設備擴展

4、; 從結構上 一個基本連接器應包括四個部份： 1.接觸介面（可分離介面和固定界面） 2.接觸涂層 3.接觸彈性元件 4.連接器塑膠本體 未來發展趨勢 1.小型化（體積小、重量輕、Pitch小、高度低、Pin數多） 2.高頻信號/傳輸（接觸阻抗低、信號遮蔽性佳）,定義,7,2.連接器類型,連接器可以從不同角度劃分： 1.從功能上可分為： 電連接器、信號連接器、高頻連接器、光纖連接器等; 2.根據線路板和線纜來分： 板對板、線對板、線對線連接器; 3.從應用領域分： 太陽能連接器、防水連接器、汽車連接器、手機連接器、軍用連接器等; 4.依形狀分： 圓形連接器、矩形連接器、印刷配線板連接器等;,8,

5、9,3.連接器主要功能特性,連接器的主要功能特性包括: 電氣功能特性 接觸阻抗：是導体電阻, 壓縮電阻, 皮膜電阻的總和 絕緣阻抗：表示阻擋電流流通的難易程度, 分為表面電阻和体積電阻 介電崩潰電壓 (耐電壓)：絕緣材料在失去其絕緣性前能承受之最大電壓 机械功能特性 整件 (Connector) 插拔力 端子的插入力/拔出力 端子在塑膠絕緣体內的保持力 耐插拔 環境特性 高、低溫 恒溫恒濕 鹽霧試驗 氣體試驗(SO2,H2S) 可靠性: 壽命測試 抗振動, 抗衝擊性能 可焊性等 對于高頻連接器除有上述電氣, 机械性能外, 還有電壓駐波比, 插入損耗, 泄漏等高頻信號傳輸特性,10,4.連接器材

6、料選擇,連接器材料主要包括 金屬材料 塑膠材料 電鍍材料 連接器材料選擇原則 加工成型性 應用性及強度考量 成本考量,11,金屬材料,重要產品特性 物理特性 密度(Density)-g/cm3 厚度(Thickness)-mm 硬度(Hardness)-HV 熱膨脹系數 (Coefficient of Thermal Expansion)- 10-6/K 熱傳導系數 (Thermal Conductivity)-W/(m.k) 泊松比(Polssons Ratio)-N/A 機械特性 彈性系數(Modulus of Elasticity/Young，s Modulus)-GPa 抗拉強度(Te

7、nsile strength)-MPa 延伸率(Elongation)-% 電氣特性 導電率(Electrical Conductivity)-%IACS 電阻溫度系數(Coefficient of Electrical Resistance)-10-3/K,12,銅材物性規格參考,13,應力應變曲線識別,明顯的四個階段 1.彈性階段ob p-比例極限 e -彈性極限 2.屈服階段bc(失去抵抗變形的能力) s-屈服極限(也叫屈服強度) 3.強化階段ce(恢復抵抗變形的能力) b-強度極限 4.局部徑縮階段ef,14,15,Rm Tensile strength(抗拉強度) Rp0.2Yiel

8、d strength(屈服強度) E Youngs Modulus(揚氏模量),彈性變形:外力撤销后可以恢复原来形状; 塑性變形:外力撤销后不能恢复原来形状，形状发生变化，伸长或缩短; 工程上常用的屈服标准有三种： a.比例极限 应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力，国际上常采用p表示，超过p时即认为材料开始屈服. b.弹性极限 试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。国际上通常以Rel表示。应力超过Rel时即认为材料开始屈服. c.屈服强度 以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为Rp0.2.,16,常用五金

9、材料特性,17,塑膠材料,塑膠材料測試 測試應在相同條件下執行 測試項目 耐溶性 ( Solvent Resistance, EIA TP-11) 耐蝕性 (Corrosivity) 耐焊錫性 (Resistance to solder heat, for process EIA TP-56) 耐熱性 (Heat, Temperature rating of connector) 耐濕性 (Humidity,Cyclic) 測試上述3)至5)項時,端子應已完成組裝; 增列的測試包含端子的保持力及高濕度測試後經2小時風乾之絕緣阻抗測試 補充的評估項目 可塑性 (moldability) : 流動

10、比, 填充性 組裝性 (assembly considerations) : Staking, Etc.,18,耐銲錫性 (Resistance to Solder Heat) 暴露在和接環境中,藉以判斷連接器的損壞(熔化,變形)敏感性. 焊接過程如同應力的釋放,在射出成型所造成的應力,於釋放的過程中會造成組件的扭曲變形,因此,灌點的位置及連接器的結構設計,更顯重要.在選擇塑料時,應與射出成型技術連同抗化性,抗熱性結合在一起,單只有抗熱性是不夠的. 有的材料可能可以接受波焊接,但可能不允許其他方式的焊接.同樣的,某種尺寸可能接受一種結構設計,但可能不允許其他形式的結構設計. 尺寸檢查 彎曲程度

11、 (bow) 翹曲程度 (Warpage) Wall collapse 目視檢查 熔化 (melting) 變形 (distortion) 起泡 (blistering),19,常用塑膠材料特性,20,電鍍材料,端子電鍍,基本上適用於保護基材 選擇適當的電鍍,應視一些相關連的因素而定. 正向力大小(normal force) 耐久程度(durability levels) 端子幾何形狀(contact geometry) 使用環境的考量(environmental considerations) 熱的情況(thermal conditions) 線路的狀況(circuit conditions

12、) 終結的型式(termination styles) 成本的因素(cost factors),21,電鍍特性 成分 (composition)-影響耐蝕性與耐磨耗性 外觀 (appearance)-重要但很主觀 厚度 (thickness)-影響壽命,耐蝕性與耐磨耗性 多孔性 (porosity)-易發生腐蝕 硬度 (hardness)-影響耐磨耗性與機械力 粘著性 (adhesive)-與加工製程有關 延展性 (ductility)-able to be compliant 耐溫性 (thermal)-與操作溫度有關 磨擦力 (friction)-磨耗,機械力 Nobility: 耐蝕性,

13、22,CLASS A : GOLD 鍍金 最好,最有效電鍍 純金很軟,容易摩擦,高插拔力將增加磨耗 添加鎳及鈷以增加硬度 貴金屬表面不易發生氧化或薄膜產生 最為昂貴 鍍層薄時易產生多孔現象(產生孔蝕及邊緣蠕变edge creep) 低正向力的系統亦能使用(100 grams),何謂硬金與軟金？ 純金的硬度較軟，所以就稱之為“軟金”，電鍍時的金鎳或金鈷合金比較硬，就稱之為“硬金”。硬金主要用在受力摩擦的地方，如PCB板上的金手指，二者的電鍍流程也不同： 軟金：酸洗電鍍鎳電鍍純金 硬金：酸洗電鍍鎳預鍍金電鍍金鎳或金鈷合金,23,CLASS B : Pd, PdNi, PdAg 薄膜容易養成 磨耗聚

14、合物容易生成 不利於高溫及微震磨耗環境使用 表層刷鍍層金,可降低磨耗聚合物生成 耐久性佳為其特色,24,CLASS C : Silver 薄膜容易生成 大於70%銀含量時,沒問題 高導電率 大多應用於無線電及電力等方面 CLASS D : Tin 應力估算; 接觸電阻估算; 溫升、容許電流估算; 線材最大容許電流計算; 螺牙估算,7.連接器基本估算,98,保持力估算,99,應力估算,100,接觸電阻估算,Ro-總電阻 Rp.c.-固定連接電阻 Rbulk-接觸彈片電阻 Rc-可分離接觸面電阻,101,電子連接器接觸電阻設計包括兩部分： a.端子材料電阻 b.接觸端電阻,材料電阻計算公式：,接觸

15、電阻計算公式：,一般定义标准退火纯铜的导电率为100%IACS，即是5.80E+7(1/m）,知道為何是17.2410-3嗎?,102,一般定义标准退火纯铜的导电率为100%IACS，即是5.80E+7(1/m）,導電率的單位是:.m,%IACS是無單位的,從上式可以看出： 接觸電阻單位是m 長度L單位是:mm 面積單位是:mm2,材料電阻計算公式分析,103,練習：,答案： 22.17m,試估算如圖示端子接觸電阻約為多少m?,104,溫升、容許電流估算,T : degree F J : current (amps) L : beam length (in) A : cross section

16、 area (in*in) : electric conductivity (%IACS) k : thermal conductivity (BTU/ft.hr.F),105,單位對嗎一？,106,系數如何確定一？,107,其它單位怎么辦?,T : degree J : current (amps) L : beam length (cm) A : cross section area (cm*cm) : electric conductivity (%IACS) k : thermal conductivity (W/m.K),思考題?,108,單位對嗎二？,109,系數如何確定二？,11

17、0,答案： 1.16.0 2.9.6A,練習：,Thermal conductivity:67 W/m.K Electrical conductivity:13%IACS Current:7Amps 試估算溫升約多少? 此端子最大容許多少電流?,111,線材最大容許電流計算,112,如何確定容許電流：,113,練習：,答案： 1.5.4A 2.3.9A 3.UL1007 26AWG,1.計算UL1007 24AWG一條線之容許電流為何? 2.計算UL10064 26AWG一條線之容許電流為何？ 3.如客人Adaptor最大輸出電流為4.74A,DC JACK正負極各焊2條線，客戶要求用UL10

18、07規格線，最少需用哪個規格?,114,螺牙估算,115,8.產品估價,成本組成 材料成本(包含材料損耗) 金屬件材料成本 塑膠件材料成本 外購件材料成本 加工成本 射出成本 沖壓加工成本 組裝加工成本 電鍍成本 模具攤提成本 運輸成本及管理成本,116,塑膠件估價需求信息 月預估需求 模治具攤提年數 每模穴數(Cav.) 射出秒數(Cycle time) 產品單重 料頭(Runner)重量 舊料加入比例 原料單價 材料損耗 每日開機時間及每月工作天數 小時費用(含機臺折舊、電費、人工、水費等),117,材料成本計算 a.原料單價：全原料、次料 b.次料加入比例 c.素材單價=原料單價全新料比例次料單價次料比例 射出成本 模具攤提成本 零件日產能,118,五金件估價需求信息 月預估需求 模治具攤提年數 每沖一下出來的件數 每分鐘沖幾下(SPM) 間距(Pitch) 料帶寬度及厚度 材料密度 材料單價 電鍍費用 每日開機時間及每月工作天數 小時費用(含機臺折舊、電費、人工、水費等),119,材料成本計算（不含廢料） 材料面積=材料寬度Pitch 料帶條數 沖壓成