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TE-连接器设计原理-02

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。

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