电子连接器设计基础0607课件.ppt

1、電子連接器設計基礎課程電子連接器概論n連接器定義n連接器之基本要求n連接器的組成n連接器各組成之功能電子連接器定義n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。n基本上，其目的是提供一低且穩定的電阻電子連接器的組成n連接器的本體（The Connector Housing）n端子的彈臂（The Contact Spring）n端子的接合面（The Contact Interface）n端子的電鍍（The Contact Finish）n鐵殼(Shielding Case)n卡扣(Latch)電子連接器之基

2、本要求n維持穩定且足夠的正向力n破壞表面的薄膜n移除（displacement）掉污染物n減少或去除微振動滑擦（fretting motion）n防止污染物的侵入n維持端子電鍍層的完整性n提供足夠之插入/拔出力(inserting/withdraw force)n端子的接合面端子的接合面l接合面的型態（Interface morphology）l接觸阻抗（Contact resistance）l摩擦/耐久性（Friction/Durability）Influenced by:Normal Force,Contact Geometry,Base Material Selectionn端子的電鍍作

3、用端子的電鍍作用l保護端子的彈臂（Protect the contact spring）l使端子接合面完美（Optimize the contact interface）n連接器的本體作用連接器的本體作用l絕緣端子（Electrically insulates contacts）l尺寸的控制（Dimensional control）l機械結構的支持（Mechanical support）l環境的屏障（Environmental shieldingl視覺上的美觀要求（Visual appeal）n端子的彈臂作用端子的彈臂作用l傳導電能或訊號（Conducts power or signal）l提

4、供可分離面的正向力（Provides separable interface normal force）l提供永久/半永久的終端（Provides permanent/semi permanent terminationl提供電氣的穩定性（Provides electrical stability）Application InterrelationshipsnTemperature:Accelerates corrosion,film formation,loss of contact pressurenHumidity:Accelerates corrosion and film forma

5、tion,degrades housingnHarsh Environments:Pore corrosion,edge creep,surface particulates corrosionnDurability:WearnVibration:Chatter,Data bit loss,fretting corrosion連接器設計要件連接器設計要件I.正向力設計正向力設計II.最大應力設計最大應力設計III.保持力設計保持力設計IV.接觸電阻設計接觸電阻設計V.金屬材料選用金屬材料選用VI.應力釋放設計應力釋放設計正向力設計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

6、係。n正向力與 mating/un-mating force 有關。n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。n正向力會嚴重影響電鍍層之耐磨耗性。一般正向力要求n鍍金端子正向力：80 100 g。n鍍錫鉛端子正向力必須大於 150 g。正向力與接觸電阻關係050100150200250Normal Force(gf)0.010.020.030.040.050.0LLCR(mOhm)T:0.15 R:0.30 Au:1Sample 1Sample 2Sample 3Sample 4Sample 5端子應力設計22336234bhLFLdEhLdEbhF d:位移量(mm)

7、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*Forming typeBlanking type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

8、形量，反覆差拔次數。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端子反覆耐壓實驗端子位移0.7mm050100150200250110012001 30014001 50016001 70018001 9001Cycle數正向力(g)臨界應力設計討論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.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

9、持力太大，有兩項缺點：n增加端子插入力，易造成端子變形n增加housing 內應力，易造成housing 變形。n保持力太小，有兩項缺點：n正向力不夠，造成電訊接觸品質不良。n端子易鬆脫保持力設計參數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，Nylon46，9T，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

10、角度(30,60)n前後凸點高度差(0.02,0.04 mm)保持力設計準則I.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。II.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。III.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IV.凸點平面長度和保持

11、力有很大的關係，長度越長，保持力越大。V.單邊卡榫較雙邊的保持力大。VI.雙凸點較單凸點的保持力大，但不明顯，可以忽略。VII.凸點前的導角角度與保持力無關。VIII.較薄的板片保持力也相對的較低IX.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.111fcbulkRRRCR 接觸電阻TOTAL=RB+RF+RC+RT薄膜電阻nRF=FILM RESISTANCEnFilm resistance(Surface)is disrupted by wiping contacts.Film resistance characterize

12、d by unstable behavior.nFilm Resistance depends on:nFilm ConductivitynFilm Composition/StructurenFilm ThicknessnFilm Breakdown(Cracking-tensile stress,Displacement-wiping action,Dielectric breakdown,Fretting)nNormally not a problem unless corrosion or heavy oxidation occurs.Wiping action with/or pro

13、per normal.Force will break through normal films.終端電阻n RT=TERMINATION RESISTANCE(1.0 m)nSoldernIDCnCompliantnCrimp接觸電阻與連接器的關係nThe stability of interface resistance is key.It is interrelated to:nNormal ForcenContact GeometrynContact ConfigurationnPlating IntegritynCircuit ConditionsnEnvironmental Con

14、siderationsnSheltering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(%)端子材料選用050100150200250Normal Force(gf)0.010.020.

15、030.040.050.0LLCR(mOhm)T:0.15 R:0.30 Au:1Sample 1Sample 2Sample 3Sample 4Sample 5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。5.3)(300)(gfFmRC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

16、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。Change In Resistancen 50.1 m:UnstableCOVERMaterial:PBTColor:BLOCKCONTACTMaterial:Corson Alloy Thickness:0.2mm Contact Area Plating:AU 20u”Soldering Area Plating:SnCu 120u”,Ni 50u”(Lead-Free)LATCHMaterial:Stainless SteelHOUSINGMaterial:PB

17、TColor:BlockCase StudyContact Area Soldering Area設計參數n端子正向力n接觸電阻n插入力拔出力應力釋放設計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。應力釋放基本選料概論-端子

18、n端子材料的選擇n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n端子材料的要求nYield Strength:Resistance to Permanent SetnConductivity:Electrical Resistance T-Rise Current Carrying CapacitynModulus of Elasticity:Spring Rate Permanent SetnElongation:Crude Indicator of Formabili

19、tynThermal:Permanent Set Loss of Normal Force over Time銅合金材料特性n導電性-依據IACS(International annealed Copper Standard)的百分比(%)標示n抗拉強度單位(MPa),端子小型化設計重點nYoungs 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n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n疲勞強度連接器設計較少考量nStress Relaxation基本選料概論-

20、塑料nRecommended Plastic Evaluationn測試應在相同射出條件下執行n測試項目:n耐溶性（Solvent Resistance,EIA TP-11）n耐蝕性（Corrosively)n耐銲錫性（Resistance to Solder Heat,for Process Involved EIA TP-56）n耐熱性（Heat,Temperature Rating of Connector）n耐濕性（Humidity,Cyclic）n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。n補充的評估項目（Supp

21、lemental Evaluation）n可塑性（Moldability）：流動比、填充性n組裝性（Assembly Considerations）:Staking,Etc.基本選料概論-塑料n耐溶性（Solvent Resistance）n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。nEIA 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n耐銲錫性（R

22、esistance To Solder Heat）n暴露在銲接環境中，藉以判定連接器的損壞（熔化、變形）敏感性。n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。n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。n尺寸檢驗n彎曲程度（Bow）n翹曲程度（Warpage）nWall Collapsen目視檢查n熔

23、化（Melting）n變形（Distortion）n起泡（Blistering）UL94UL94耐燃等級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

24、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。UL94UL94耐燃等級耐燃等級-測試方式基本選料概論-電鍍n端子電鍍，基本上是用於保護基材n選擇適當的電鍍，應視一些相關連的因素而定 。例如：n正向力大小（Normal Force）n耐久程度（Durability Levels）n端子幾何形狀（Contact Geometry）n使用環境的考

25、量（Environmental Considerations）n 熱的情況（Thermal Conditions）n線路的狀況（Circuit Conditions）n終結的型式（Termination Styles）n成本因素（Cost Factors）基本選料概論-電鍍nRecommended Plastic Evaluationn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n外觀（appearance）：重要但很主觀n厚度（thickness）：影響壽命、耐蝕性及耐磨耗性n多孔性（porosity）：易發生腐蝕n硬度（hardn

26、ess）：影響耐磨耗性、機械力n黏著性（adhesion）：與加工製程有關n延展性（ductility）：able to be compliantn耐溫性（thermal）:與操作溫度有關n摩擦力（friction）:磨耗、機械力nNobility:耐蝕性基本選料概論-電鍍nCLASS A:GOLD鍍金n顯然是最好、有效的電鍍n純金很軟，容易磨傷，高插拔力將增加磨耗n添加鎳及鈷以增加硬度 n貴金屬表面不易發生氧化或薄膜產生n最為昂貴n鍍層薄時易產生多孔現象（產生孔蝕及edge creep）n低正向力的系統易能使用(100 grams normal force?150，錫與鎳也是會在一緩慢的速率

27、下產生。基本選料概論-電鍍n鍍膜厚度n鍍膜鍍膜n金n50in:military,Hi-REL,long life,medical,process controln30in:general industrial applicationsn20in:short lifen10in:poor,generally has gross porosity.:very restrictive use.may be enhanced with surface conditioners or treatment.n錫(alloys):n150in min preferred.absolute min.100in

28、 nthickness 300in can impact mating forces基本選料概論-電鍍n鍍膜厚度n鍍膜鍍膜n Au flash PdNi:30in nUnderplatesnNickel :50in TO 150in :厚度 150in 將影響其彈力（Spring rates）nCopper:不建議nSilver :不建議基本選料概論-電鍍n故障的基本定義n是指訊號的中斷導致設備機能失常，大部分有問題的故障模式，多為時間函數的破壞機構所造成。n主要的故障模式為：n微振磨耗腐蝕（Fretting Corrosion）-Tin/Pb度膜嚴重n腐蝕（Corrosion）nPore C

29、orrosionnEdge Creep nSurface ParticulatesnCorrosion of Non Noble Surfaces Resulting from Wear基本選料概論-電鍍n故障(Failure Mode)基本選料概論-電鍍n錫鬚（Tin Whiskers）n造成錫鬚成長的誘因:n鍍錫之壓縮應力n基材的內應力n腐蝕處n錫鬚的解決之道:n勿鍍純錫n鉛含量1%，可減少錫鬚產生 n鍍層迴銲基本選料概論-電鍍nPorosity in Platingsn孔隙是由於不連續的現象而暴露底材。係於製程及下列因素所導致：n基材表面的缺陷（Substrate surface def

30、ects）n不潔的鍍液（Unclean plating solutions）n內應力的沉積 Internally Stressed Deposits(Cracks)n鍍層厚度（Thickness）n製程的變異（Process Variables）n蝕孔的位置若不在接觸區域附近，將不會造成問題，但落在不當處則將會造成故障，而粗大的孔洞均無法接受。n使用潤滑劑及提高正向力，能有效降低蝕孔的產生。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:degree FJ:current(amps)L:beam length(in)A:cross section area(in*in):electric conductivity(%IACS)k:thermal conductivity(BTU/ft.hr.F)