連接器設計基礎課件

1、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：100gf或小于 100gf。n鍍錫鉛端子正向力必須大于 150gf。n正向力與產(chǎn)品的可靠性有絕對的關系。n正向力與接觸電阻有密切的關系。n若PIN數(shù)大于 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)有密切的關系，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 正向力與接觸電阻關系050100150200250Normal Force ( gf

2、)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 :彈性系數(shù) (110Gpa) :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 = 750Mpa大小端子應力值(1) 703Mpa(2) 1111 Mpa(3) 1244 Mpa(4) 1355 MPa

3、2.2 最大應力設計n最大應力材料強度( 680-780MPa for C5210EH )。nFEM分析所得之最大應力含應力集中效應，通常會大于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于材料強度，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，反復差拔次數(shù)。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)永久變形量(mm)Cycle No.理論值FEM理論值/材料強度0.22975250.40100

4、000.34457870.60.01100000.459410500.80.02100000.574213121.00.05100000.689115751.20.0980000.7104018381.40.1550000.8118821001.60.20 0.9133723631.80.2720001.0148526252.00.34 2.4 正向力結(jié)果之比較0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.0500.000.511.5NormalForce(Excel;g)NormalForce(FEM:g)NormalForce(Measure;

5、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系端子位移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 端子反復耐壓實驗端子位移0.7mm050100150200250110012001 30014001 50016001 70018001 9001Cycle數(shù)正向力(g

6、)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，而是端子彈性系數(shù)(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，其反復耐壓之次數(shù)及無法達到1萬次，應力愈高次數(shù)愈少，但應力超過最大值之1.8倍時尚有2000cycles.n以上測試是在實驗室環(huán)境下所測得之案例，若產(chǎn)品設計高出材料強度很高時很容易產(chǎn)生跪針現(xiàn)象。3.1 保持力設計n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。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

7、(2)增加housing內(nèi)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，造成電訊接觸質(zhì)量不良，n(2)端子易松脫3.2 保持力設計參數(shù)n保持力設計參數(shù)包括：塑料選用，端子卡榫設計，干涉量設計。n smt type connectors必須使用耐高溫的塑料材料，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40mm-130mm之間3.3保持力實驗設計3.4卡榫的設計變數(shù)n卡榫的設計變量包括：n單邊與雙邊n單凸點與雙凸點n凸點平面寬度(4,8mm)n凸點插入角度(30, 60)

8、n前后凸點高度差(0.02, 0.04mm)3.5 保持力設計準則1.塑料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500gf以上的差別。2.一般而言：nylon的保持力大于LCP，PCT則介于兩者之間，但同樣是LCP，不同廠牌間的差異性非常大，有將近400gf的差異。3.干涉量的設計最好介于40 mm-100mm 之間，因為干涉量小于40 mm ，保持力不穩(wěn)定，大于100mm，保持力不會增加，干涉量介于兩者之間，保持力呈現(xiàn)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)。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系，

9、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(jié)而論：由(4,5,8)項結(jié)論可知，端子和塑料接觸面積越大，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 (10mm) Zenite 6130L (A3)Sumik E6006L (B3)Vectra L140 (C4)PA 46 TE250F6 (D3)PA 6T C430CN (E3)PCT CG941 (F4)B02r_F42 I1r_F

10、29 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.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

11、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，可變更的范圍受到限制。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 50-150gf之間接觸點電阻值在4-8m-ohm。n正向力小于50gf,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 1Sa

12、mple 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 6.5m-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.

13、1 應力釋放設計n應力釋放：當材料在受應力及溫度環(huán)境下，長時間所造成的正向力下降的現(xiàn)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(guī)定應力釋放在 3000hr以上仍然能維持70%以上的力量才合乎設計的原則。n根據(jù)以上的規(guī)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)6.1Temperature risen大電流連接器必須考慮溫度上升效應，通常設計在 30 的范圍內(nèi)，簡單的計算可使用以下之保守公式：2222ALJTT : degree