电子连接器设计基础课程--stevenzhou119.ppt

1、電子連接器設計基礎課程, 大量资料 天天更新,電子連接器概論,連接器定義 連接器之基本要求 連接器的組成 連接器各組成之功能, 大量资料 天天更新,電子連接器定義,電子連接器是一種電子機械的系統，此系統提供一種可分離的連接方式，在兩線路間沒有訊號失真或能量損失的情形下，進行穩定且長時間的訊號傳輸。 基本上，其目的是提供一低且穩定的電阻, 大量资料 天天更新,電子連接器的組成,連接器的本體（The Connector Housing） 端子的彈臂（The Contact Spring） 端子的接合面（The Contact Interface） 端子的電鍍（The Contact Finish）

2、 鐵殼 ( Shielding Case ) 卡扣 ( Latch), 大量资料 天天更新,電子連接器之基本要求,維持穩定且足夠的正向力 破壞表面的薄膜 移除（displacement）掉污染物 減少或去除微振動滑擦（fretting motion） 防止污染物的侵入 維持端子電鍍層的完整性 提供足夠之插入/拔出力 (inserting / withdraw force), 大量资料 天天更新,端子的接合面 接合面的型態（Interface morphology） 接觸阻抗（Contact resistance） 摩擦/耐久性（Friction/Durability） Influenced b

3、y:Normal Force, Contact Geometry, Base Material Selection 端子的電鍍作用 保護端子的彈臂（Protect the contact spring） 使端子接合面完美（Optimize the contact interface）,連接器的本體作用 絕緣端子（Electrically insulates contacts） 尺寸的控制（Dimensional control） 機械結構的支持（Mechanical support） 環境的屏障（Environmental shielding 視覺上的美觀要求（Visual appeal） 端

4、子的彈臂作用 傳導電能或訊號（Conducts power or signal） 提供可分離面的正向力（Provides separable interface normal force） 提供永久/半永久的終端（Provides permanent/semi permanent termination 提供電氣的穩定性（Provides electrical stability）, 大量资料 天天更新,Application Interrelationships,Temperature:Accelerates corrosion, film formation, loss of contac

5、t pressure Humidity:Accelerates corrosion and film formation, degrades housing Harsh Environments:Pore corrosion, edge creep, surface particulates corrosion Durability:Wear Vibration:Chatter, Data bit loss, fretting corrosion, 大量资料 天天更新,連接器設計要件,正向力設計 最大應力設計 保持力設計 接觸電阻設計 金屬材料選用 應力釋放設計,正向力設計,正向力與產品的可靠

6、性有絕對的關係。 正向力與接觸電阻有密切的關係。 正向力與 mating/ un-mating force 有關。 正向力與振動測試時之瞬斷有密切的關係，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。,一般正向力要求,鍍金端子正向力：80 100 g。 鍍錫鉛端子正向力必須大於 150 g。,正向力與接觸電阻關係,端子應力設計,d : 位移量 (mm) E : 彈性係數 (110 Gpa) s : 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,*,Forming type,Blanking t

7、ype,最大應力設計,最大應力材料強度( 680-780 MPa for C5210EH )。 FEM 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。 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。 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。,永久變形和正向力之關係,端子反覆耐壓實驗,臨界應力設計討論,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、.8倍時尚有2000 cycles.,保持力設計,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。 保持力太大，有兩項缺點： 增加端子插入力，易造成端子變形 增加housing 內應力，易造成housing 變形。 保持力太小，有兩項缺點： 正向力不夠，造成電訊接觸品質不良。 端子易鬆脫,保持力設計參數,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，Nylon46，9T，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40 mm-13

9、0 mm 之間,卡榫的設計變數,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),保持力設計準則,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

10、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)。,保持力設計準則,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。 單邊卡榫較雙邊的保持力大。 雙凸點較單凸點的保持力大，但不明顯，可以忽略。 凸點前的導角角度與保持力無關。 較薄的板片保持力也相對的較低 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。,，,接觸電阻,接觸電阻,TOTAL = RB+RF+RC+RT,薄膜電阻,RF= FILM RESISTANCE Film resistance (Surface) is disrupted by wipi

11、ng contacts. Film resistance characterized by unstable behavior. Film Resistance depends on: Film Conductivity Film Composition/Structure Film Thickness Film Breakdown (Cracking-tensile stress, Displacement-wiping action, Dielectric breakdown, Fretting) Normally not a problem unless corrosion or hea

12、vy oxidation occurs. Wiping action with/or proper normal. Force will break through normal films.,終端電阻,RT=TERMINATION RESISTANCE (1.0 m) Solder IDC Compliant Crimp,接觸電阻與連接器的關係,The stability of interface resistance is key. It is interrelated to: Normal Force Contact Geometry Contact Configuration Plat

13、ing Integrity Circuit Conditions Environmental Considerations Sheltering,接觸電阻設計,電子連接器接觸電阻設計包括兩部分： 端子材料電阻 接觸端電阻,材料電阻計算,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。 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。,L : 端子導電長度 (mm) A : 端子截面積 (mm2) s : 導電率 (

14、%),端子材料選用,接觸點電阻,正向力在 50-150 gf 之間接觸點電阻值在4-8 m-ohm。 正向力小於50 gf, 接觸電阻則快速增加。,接觸電阻設計,接觸電阻包含端子材料電阻和接觸點電阻兩項和。 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。 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。 接觸端的半徑對接觸電阻值沒有顯著影響。 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。,Change In Resistance

15、, 50.1 m:Unstable,COVER Material:PBT Color:BLOCK,CONTACT Material: Corson Alloy Thickness: 0.2mm Contact Area Plating:AU 20u” Soldering Area Plating:SnCu 120u” , Ni 50u” (Lead-Free),LATCH Material:Stainless Steel,HOUSING Material:PBT Color:Block,Case Study,Contact Area,Soldering Area,設計參數,端子正向力 接觸電阻

16、 插入力拔出力,應力釋放設計,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。 溫度越高，受力時間越長，應力釋放的越大 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。 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。,應力釋放,基本選料概論-端子,端子材料的選擇 端子材料的選擇，是基於製造成型性及強度性質上的綜合的考量，必須確保其正向力能維持電氣穩定性。基材的選

17、擇與所使用的電鍍系統有關，鍍層亦被視為一材料系統。,基本選料概論-端子,端子材料的要求 Yield Strength:Resistance to Permanent Set Conductivity :Electrical Resistance T - Rise Current Carrying Capacity Modulus of Elasticity:Spring Rate Permanent Set Elongation:Crude Indicator of Formability Thermal:Permanent Set Loss of Normal Force over Time

18、,銅合金材料特性,導電性-依據IACS( International annealed Copper Standard) 的百分比(%)標示 抗拉強度單位(MPa),端子小型化設計重點 Youngs Modulus 應力與應變比,一般在銅合金中變化不大,約110GPa-磷青銅，130GPa-鈹銅 成型性通常以R/t比表示,R/t比越小成型性越好,材料越薄越易成型,材料硬度越高越難成型,與壓延方向垂直較水平方向易成型 疲勞強度連接器設計較少考量 Stress Relaxation,基本選料概論-塑料,Recommended Plastic Evaluation 測試應在相同射出條件下執行 測試項

19、目: 耐溶性（Solvent Resistance, EIA TP-11） 耐蝕性（Corrosively ) 耐銲錫性（Resistance to Solder Heat, for Process Involved 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：端子的保持力及高溼度測試後經2小時風乾之絕緣阻抗測試。 補充的評估項目（Supplemental Evaluation） 可塑性（Moldability）：流動比、填充性

20、組裝性（Assembly Considerations）:Staking, Etc.,基本選料概論-塑料,耐溶性（Solvent Resistance） 使用的清洗程序及溶劑的種類很多，藉此決定對連接器適合的清洗程序。 EIA 364 TP-11 使用三氯乙烯（Class 1 Trichloroethylene）為溶劑，不但在熱蒸氣（hot vapors）中暴露18秒，而且也在溶劑中浸泡42秒，模擬一典型的操作方式（typical decreasing operation）。,基本選料概論-塑料,耐銲錫性（Resistance To Solder Heat） 暴露在銲接環境中，藉以判定連接器的

21、損壞（熔化、變形）敏感性。 銲接過程（Soldering process）如同應力的釋放，在射出成型時所造成的應力，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之設計，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銲接，但可能不允許其他方式的銲接。同樣地，某種材料可能可以接受一種結構設計，但可能不允許其他型式的結構設計。 尺寸檢驗 彎曲程度（Bow） 翹曲程度（Warpage） Wall Collapse 目視檢查 熔化（Melting） 變形（Distortion） 起泡（Blistering）,UL

22、94耐燃等級,產品為防範其造成燃燒危害，一般都會採用特殊處理使其產品有一耐燃、滯燃的效果，以免產品於災害發生時造成更大的危害，通常採用的防火等級認證UL94為指定之測試標準。其產品以 1.有效防止燃燒， 2.燃燒時不放出毒性氣體 為產品檢驗原則。,原理：構成燃燒之因素為火源、燃料和氧氣，產品經特硃處理後，其產品遇火燃燒時會分解出一種惰性物覆蓋在產品表面，形成一層障礙物，以隔絕氧氣繼續助燃；進而造成滯燃效果。,1.測試必須於一密閉環境最小0.5立方米(建議為1立方米)的密閉空間。 2.每一試片點火兩次(點火時間100.5秒)(兩次點火時間間隔100.5秒)。 3.五個試片必須達到要求，如果說五個

23、其中有一片測試失敗。再拿另外一組重新測試，第二次測試必須全數通過。 4.試片是否燃燒到夾頭(符合垂直測試V-0,V-1,V-2者，不可有任何試片燃燒到夾頭)。於試片下方300mm處放置外科用棉花，觀察垂滴對棉花的引燃情形。,UL94耐燃等級-測試方式,基本選料概論-電鍍,端子電鍍，基本上是用於保護基材 選擇適當的電鍍，應視一些相關連的因素而定 。例如： 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 Co

24、nditions） 線路的狀況（Circuit Conditions） 終結的型式（Termination Styles） 成本因素（Cost Factors）,基本選料概論-電鍍,Recommended Plastic Evaluation 成分（composition）：純度,添加物藉以獲得特定的性質,光澤度不應加以規定,影響耐蝕性及耐磨耗性 外觀（appearance）：重要但很主觀 厚度（thickness）：影響壽命、耐蝕性及耐磨耗性 多孔性（porosity）：易發生腐蝕 硬度（hardness）：影響耐磨耗性、機械力 黏著性（adhesion）：與加工製程有關 延展性（ducti

25、lity）：able to be compliant 耐溫性（thermal）: 與操作溫度有關 摩擦力（friction）:磨耗、機械力 Nobility: 耐蝕性,基本選料概論-電鍍,CLASS A : GOLD鍍金 顯然是最好、有效的電鍍 純金很軟，容易磨傷，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edge creep） 低正向力的系統易能使用(100 grams),基本選料概論-電鍍,CLASS B : Pd, PdNi, PdAg鍍鈀、鈀鎳、鈀銀 薄膜容易生成 磨耗聚合物容易生成 不利於高溫及微振磨耗環境

26、的使用 表層刷鍍層金，將可降低磨耗聚合物及劇烈黏琢磨擦的發生，並可增進光澤度 耐久性佳為其特色 ok 100 grams normal force ? 100 grams normal force,基本選料概論-電鍍,CLASS C : SILVER鍍銀 薄膜容易生成 大於70% 金含量時，沒問題 高導電率 大多應用於無線電及電力等方面 CLLASS D : TIN AND ITS ALLOYS鍍錫及其合金 表面氧化物極易生成 耐久性及耐磨耗性差 必須明確的設計 對錫銲加工而言很重要 最便宜,基本選料概論-電鍍,UNDERPLATES SILVER:由於迅速的擴散，穿過鍍金層而產生薄膜 COP

27、PER: 整平性適中 將覆蓋底材表面的缺陷，降低多孔性 為擴散的障礙（鋅） 不能增加耐磨耗性及耐蝕性 會擴散穿越金 將與錫生成金屬間化合物 由於其柔度及延展性之故，依舊應用於皺摺（crimp） NOTE:整平的結果，助於產生一平滑的表面，降低多孔性。,基本選料概論-電鍍,UNDERPLATES NICKEL: 整平性適中（降低多孔性） 將覆蓋底材表面的缺陷，降低多孔性 為擴散的障礙（銅及鋅） 增加耐磨耗性 增加耐蝕性 將可減少 Cu/Sn 金屬間化合物 CAUTIONS:應使用延展性的鎳，一些鎳浴會導致脆性的鎳生成厚度必須控制在50150in，鎳會擴散穿越金，但速度非常緩慢，除非溫度大於 15

28、0 ，錫與鎳也是會在一緩慢的速率下產生。,基本選料概論-電鍍,鍍膜厚度 鍍膜 金 50in : military, Hi-REL, long life, medical, process control 30in : general industrial applications 20in : short life 10in : poor, generally has gross porosity. : very restrictive use. may be enhanced with surface conditioners or treatment. 錫 (alloys): 150in min preferred. absolute min. 100in thickness 300in can impact mating forces,基本選料概論-電鍍,鍍膜厚度 鍍膜 Au flash PdNi: 30in