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
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
?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
50
100
150
200
250
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
L L C R ( m O h m )
T:0.15 R:0.30 Au: 1
Sample 1
Sample 2Sample 3Sample 4Sample 5
2.1 端子應力設計基礎
2
23
3
6234bh
L F L dEh L dEbh F ===σ d : 位移量(mm)
E : 彈性係數(110 Gpa)σ : 最大應力(M pa)
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= 750 Mpa
大小端子應力值
(1)703 Mpa
(2)1111 Mpa
(3)1244 Mpa
(4)1355 MPa
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
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
0.22975250.40>10000 0.34457870.60.01>10000 0.459410500.80.02>10000 0.57421312 1.00.05>10000 0.68911575 1.20.098000 0.710401838 1.40.155000 0.811882100 1.60.20
0.913372363 1.80.272000
1.014852625
2.00.34
2.4 正向力結果之比較
0.0
50.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.0500.00
0.5
1
1.5
Normal
Force(Excel;g)Normal
Force(FEM:g)Normal
Force(Measure;g)
2.5 理論應力與永久變形之關係
00.10.20.3
0.40
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
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係
端子位移0.9mm
501001502002500
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
位移(mm)
正向力(g )
第一次測試
第十次測試
2.7 端子反覆耐壓實驗
端子位移0.7mm
050100150200250
1
100120013001400150016001700180019001
Cycle數
正向力(g )
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,
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 m m-130 m m 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
1.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。
2.一般而言: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。
3.干涉量的設計最好介於40m m-100 m m之間,因
為干涉量小於40m m,保持力不穩定,大於100 m m,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/10m m)。
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係,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。