電子連接器設計基礎 陳立生 工業技術研究院 2001, 7 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 1.1 正向力設計 鍍金端子正向力：100 gf 或小於 100 gf。 鍍錫鉛端子正向力必須大於 150 gf。 正向力與產品的可靠性有絕對的關係。 正向力與接觸電阻有密切的關係。 若 PIN 數大於 200 可適度降低正向力。 正向力與 mating/unmating force 有關。 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。 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係 2.1 端子應力設計基礎 2.1 端子應力設計實例 2.2 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。 2.3 臨界應力設計實例 2.3 臨界應力設計實例 2.4 正向力結果之比較 2.5 理論應力與永久變形之關係 2.6 永久變形和正向力之關係 2.7 端子反覆耐壓實驗 2.8 臨界應力設計討論 以理論方式計算之正向力非常接近實驗值。 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。 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。 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. 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。 3.1  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： (1)增加端子插入力，易造成端子變形 (2)增加housing 內應力，易造成housing 變形。 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 3.2  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，Nylon，PCT，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-130 mm 之間 3.3  保持力實驗設計 3.4  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) 3.5  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 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。  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 (10 mm)  4.0  Contact resistance 4.1  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 4.2  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。 4.3  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。  4.4  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。 4.5  接觸電阻案例 請計算接觸電阻 23.2 25.5 29.8 33.3 5.1  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。  5.2  應力釋放相關資料(1) 5.2  應力釋放相關資料(1) 6.1  Temperature rise  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： 6.1  Temperature rise example 7.  端子材料選用 7  端子材料選用 T : degree F J : current (amps) L : beam length (in) A : cross section area (in*in)  g : electric conductivity (%IACS)  k : thermal conductivity (BTU/max.book118.com)  溫升： 33℃ 38℃ 45℃  * *  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 材料強度 = 750 Mpa 大小端子應力值 703 Mpa 1111 Mpa 1244 Mpa 1355 MPa 位移(mm)  最大應力 (Mpa)  永久變形量(mm)  Cyc
电子连结器设计基础.ppt