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1、 2001 7 電子連接器設計基礎 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 100gf或小於100gf 鍍錫鉛端子正向力必須大於150gf 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 unmatingforce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 d 位移量 mm E 彈性係數 110Gpa s 最
2、大應力 Mpa F N 98gf 理論最大應力 理論正向力 Formingandblanking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703Mpa1111Mpa1244Mpa1355MPa 2 2最大應力設計 最大應力 材料強度 680 780MPaforC5210EH FEM分析所得之最大應力含應力集中效應 通常會大於nominalstress 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
3、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 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 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2000cycles 以上測試是
4、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 smttypeconnectors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
5、 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 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 8mm 凸點插入角度 30 60 前後凸點高度差 0 02 0 04mm 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500gf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400gf的差異 干涉量的設計最好介於40mm 100mm之間 因為干涉量小於40mm 保持力不穩定 大於100mm 保持力不會增加 干涉量介於兩
6、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 10mm 4 0Contactresistance 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
7、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 BeCuandC7025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 L 端子導電長度 mm A 端子截面積 mm2 s 導電率 4 3接觸點電阻 正向力在50 150gf之間接觸點電阻值在4 8m ohm 正向力小於50gf 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
8、5m 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23 225 529 833 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3000hr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
9、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 1Temperaturerise 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 T degreeFJ current amps L beamlength in A crosssectionarea in in g electricconductivity IACS k thermalconductivity BTU ft hr F 6 1Temperatureriseexample 溫升 33 38 45 7 端子材料選用 7端子材料選用
