【精品】端子卡点结构及塑胶材质对保持力的影响&端子接触研究总结

【精品】端子卡点结构及塑胶材质对保持力的影响&端子接触研究总结 计画说明 ， 典型电子连接器的组成 包括塑胶本体(housing)及端子(contact)两部份。塑胶本体主要是固持端子并提供绝缘耐电压之功能，而端子则 是 传 输 电 讯 。 一 般 连 接 器 依 循 的 规 范 为 EIA 364 及MIL-STD-1344A，如表一所列， 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 的种类可分为机械特性、电气特性及耐候性三大类，其中对正向力 、保持力 (Normal Force) (Retention 、低阶阻抗(Low Level Contact Resistance-LLCR)的要求，与Force)端子 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 密不可分，正向力的大小能影响 LLCR 的值，而保持力的足够与否，亦影响正向力，因此，本计画针对端子接触端与卡榫的设计，进行一系列的实验，提供业者设计所需之资料，迅速完成产品的研发设计，并减少修改的工程及成本的花费。 本计画针对电子连接器端子设计的功能需求进行两大部分的基础研究，包括(1)端子卡榫与 Housing 的保持力研究及(2)端子接触端之设计数据研究。1. 端子卡榫研究 端子卡榫的设计，在电子连接器朝著小型化及表面接著方式 (SMT)发展后，一项相当重要的部分，因为小型化后端子及塑 胶 housing 都愈来愈小;而端子愈小，卡榫与塑胶的保持力，则必 须设计的愈精准，保持力太 )插入力增大:由於端子很小， 保持力太大或太小都会造成产品之设计不良。 (1 大有两项负面的影响， 较大的插入力，将很容易造成端子之变形及塑胶之破坏，(2)塑 胶 housing 的内应力增大:由於 housing 变小，结构强度变弱，较 大的内应力会造成 housing 之变形，而无法满足 SMT 产品在共面 度上之要求。保持力若太小亦会影响(1)正向力不够，造成电讯 接触之品质不良(2)端子之松脱。电子连接器对保持力的要求， 随著产品种类及设计方式的不同，而有所不同，一般约在 4001000gf 之间。 连接器微小型化及 SMT 化的趋势下，保持力愈来愈重要，连 接器公司在设计新连接器时就，必须能准确而有效地设计出所需 的保持力。国内传统的连接器设计方式分为(1)抄袭(2) Try-and-error 和(3)靠老师傅的经历，但是在今天电子产品更新 速度这麼快、卡榫种类这麼多以及塑胶材料种类繁多，使用前述 三种方式来设计保持力，均会耗费大量的人力、时间及金钱，因 此本研究提出以系统的方式，将保持力与卡榫形状、塑胶种类和 卡榫与塑胶之干涉量之间的关系，以实验的方法做出来，提供业 者设计时利用。 本研究将影响保持力大小的参数，分为下列几种: 卡榫型式 塑胶种类及成型条件 housing 本身的结构条件 1.1 卡榫型式 业界在卡榫型式设计上，可分为单边单凸点、双边单凸点、单边双层凸点及双边双层凸点等四种主要样式，而在凸点上又有平面宽度及插入角度不同，因此本研究即以上述几种样式为参考，设计实验用的卡榫，其详细尺寸设计图如图ㄧ,四所示举例图示，所有卡榫的编号及参数的设定，则如表二所列。编码代号说明如下: B、E:单边单凸点( )。 D、F:双边单凸点( )。 B、D、E、F 后之首码表凸点的平面宽度，0 表 0.0 mm 宽，2表 0.4 mm 宽，4 表 0.8 mm 宽;第二码表插入角之角度，2 表 30 之插入角，3 表 45 之插入角。 M:单边双层凸点( )。 N:双边双层凸点( )。 M、N 后之首码表第二层凸点的平面宽度，0 表 0.0 mm 宽，2表 0.4 mm 宽，4 表 0.8 mm 宽;第二码表第一层凸点与第二层凸点的高度差，2 表高度差为 0.02mm，4 表高度差为 0.04mm。 此外，Type B、D、M、N 卡榫所使用的材料为日矿 C5210R-SH材，板厚为 0.2mm，其抗拉强度为 807N/mm2，而 Type E、F 卡榫所使用的材料为日矿 C5210R-H 材，板厚为 0.15mm，其抗拉强度为 639N/mm2，测试片则是委托台湾龙杰公司利用线切割方式(线径 0.1mm)进行，加工成型的试片，每种抽取 20 pcs 量测尺寸，其实际的尺寸如表二所列。 1.2 塑胶 塑胶本身(housing)主要作用是固持端子，并提供绝缘与耐电压的功能。目前电子产品的走向，正朝轻薄短小的目标发展，而 SMT 的组件，正是此趋势下的产品，因此在塑料的选用上，也是一门学问，不但功能性必需要符合要求，成本的考量，也非常重要，如图五所示，可从单价及热变形温度的应用范围，选择适当的材料。 目前 SMT 所使用的塑料，多为 LCP、PA 46、PA 6T、PCT 及PPS 等，但由於 PPS 较易使模具损伤，故在本研究中，并未列入选择，仅以 LCP、PA 46、PA 6T 及 PCT 为主要研究范围。上述 4种塑料，各有优缺点及应用范围，如表三所列。?粲筛叩ゼ鄣牧 悠髦 郏 ?housing 的用料，大多为 LCP，故特别针对 LCP，另考量不同品牌的影响，因此选择三种业界较常使用的 LCP 进行测试。本研究所选择的塑料，其厂牌及基本特性，如表四所列。1.3 塑胶本体(housing) 连接器的种类众多，其结构亦有所不同，如 PCI 插槽与SO-DIMM，两者结构上的差异即非常明显，故无法逐一加以分析。因此本研究仅就一测试模的结构为基础，配合不同型式的卡榫，进行一系列的实验分析。 塑模的结构设计，如图六、七所示。理想的孔径为 0.50、0.49、 ，与卡榫配合，所造成的干涉量0.48、…0.37mm(共 14 个孔洞)由 0 至 13 条。Housing 是委托富立兴精密股份有限公司开模与制 (A3)作，塑胶则是以 SMT 常用的材料为主，分别是 Zenite 6130L 、 、PA 46 TE250F6(D3) 、Vectra L140(C4)Sumik E6006L(B3) 、 ，其成型的射出条件如PA 6T C430CN(E3)及 PCT CG941(F4)附件所示。成品部份，每种塑料抽取 30 pcs 进 测试方法: 利用自行组装设行尺寸量测，结果如表五所列。1.4 实验与结果 1.4.1 计的测试系统，配合先前制作完成的卡榫 及 housing，以 100 mm/min 的速度，将试验卡榫插入各个不同 尺寸的孔位，其行程为 2.4 mm，插入后等待 90 sec.，再以 100 mm/min 的速度拔出，记录其极值。 1.4.2 结果与应用 测试结果，如图八,五十所示，每一个测试值均是五个实验值的平均。观察发现，凸点宽度的大小与保持力成正比，宽度愈大，保持力也愈大，在插入角度方面，并无明显的影响。此外，塑料的影响方面，除了 PA 46 的保持力明显较高外，其余差异不大。 若再对实验数据进行线性回归分析，可得一简易方程式 ，如表六所列，此简易方程式可(适用范围为干涉量 410 条)应用在产品设计。一般产品研发的过程中，工程师对卡榫的型式、housing 的用料及干涉量的多寡，仅能依据经验法则设计搭配，当无法达到规格要求时，再进行修改。若有此方程式集，则可以先由规格表中，定出保持力的要求值，再依据塑料的选用及卡榫型式的决定，找出一适用方程式，再将保持力代入，即可求算出应有的干涉量。例: 若保持力要求 500 gf， 而塑料选用 Sumik E6006L(B3)， 卡榫型式选定 Type B22， 由表八中，可找出实验公式 r_F,43 I，196， (其中 r_F 表保持力，，表干涉量) 将保持力 500 gf 代入， 则可求出干涉量的建议值:7 条。 若干涉量 7 条略高，则可改变塑胶用料， 再重复上述之 步骤 新产品开发流程的步骤课题研究的五个步骤成本核算步骤微型课题研究步骤数控铣床操作步骤 ，即可快速得到建议的干涉量。1.4.3 Reflow 的影响 SMT 的组件，终需过 Reflow，在经 Reflow 后，保持力均会下降，但究竟会降多少，这正是我们所关心的。 以自行组装设计的测试系统，配合先前制作完成的卡榫及housing，以 100 mm/min 的速度，将试验卡榫插入各个不同尺寸的孔位仅测试 4、6、8 及 10 号孔位，其行程为 2.4 mm，插入后将测试件取下，利用 HELLER 1500 回焊炉进行 Reflow， 此机种之加热区有五个，温度设定分别为 190、210、180、200、 255?，而行经每个加热区的时间约为 40sec.。经 Reflow 的样品 取回，再利用 Instron Mini 44 拉伸试验机进行保持力测试( 测 试速率为 100 mm/min) ，结果如表七所示。1.5 讨论 在执行保持力测试的实验过程，发现有以下几个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，值得在此提出与使用者研究: 1.5.1 塑胶本体之可变参设非常多，包括玻纤含量、塑胶成型条 件、塑胶 Housing 结构差异及塑胶内玻纤排列方向等， 不同条件均有可能影响保持力，但是由於实验的规模及可 行性等条件的限制，无法深入研究上述参数的个别影响。 1.5.2 由於上述塑胶可能产生的变数，及线切割异会造成端子尺 寸的差异，因此保持力的测试，均使用 5 点平均值作为量 测的结果。 1.5.3 由实验之结果显示，干涉量在 0.01mm0.03mm 的范围内 所测出之值变化很大，而且在实际上一般端子的冲压公差 以在此范围内，因此在工程上也没有意义。此外，根据实 际测出之结果显示，当干涉量大於 0.10mm 以上时，保持 力也不再成线性的增加，因此若线性回归包含 0.10mm 以 上的测试结果，则会使线性回归取线不准确，因此本研究 采用 0.04mm0.10mm 之测试结果，作为线性回归的有效 范围。1.6 结论 1.6.1 以塑胶材料来排序，可由图四十四、图四十五得知，Nylon 类材料的保持力是最好，PCT PA46 又明显的大於 居中，LCP 类的保持力较 。 Nylon 类材料差 Nylon 类中的 PA6T， 三种 LCP 的保持力以 Sumik E6006L 为最低，Vectra L140 为三种 LCP 中之最大，Zenite 6130L 则略小於 Vectra L140，PCT 的保持力则介於 Vectra L140 及 Zenite 6130L 两种 LCP 之间。1.6.2 以单层卡榫的测试结果来看(如图八、图九所示，Type B、 Type D 卡榫在 Zenite 6130L 中进行测试) (1) ，可发现: (2) 3)单边接触较双边接触的接触面宽度是控 插入角度对保持力没有明显的影响， ( 保 制保持力的重要因素之一， 持力要高，此点也可归纳到接触面宽度较大的结论。1.6.3 板厚较薄(0.15mm)的端子(Type E、Type F)，观察在 ，所得 Zenite 6130L 的测试结果(如图十、图十一所示) 的结论与 1.6.3 的观察趋势完全吻合，但保持力则较板厚 为 0.20mm 测试端子的保持力小，此点也应该可以归纳到 接触面积变小的结论，但并非和接触面积成正比的关系。1.6.4 观察双层卡榫在 Zenite 6130L 的测试结果(如图十二、图 十三所示)，可发现双层卡榫的保持力较单层卡榫大，而 前后卡榫的高度差的影响，则并不明显。1.6.5 Reflow 以后的保持力下降约 30, ,60, 。2. 端子接触端研究 一般而言，连接器设计必需满足电气特性及可靠性。业界传统上多以正向接触力作为设计指标，然而却不知道需要多大的正向力，才能达到应有的功能;另一方面，正向力并未提供接触型态与应力在导电行为上影响的资讯，以致无法作有效之设计改善。本研究将对连接器端子的导电机制进行理论分析，并提出一个新的导电指标，可表现出上述两个因素之影响。同时也进行一系列正向力对电阻影响的实验，已获致有效的设计资料。 2.1 回顾 传统上，连接器设计工程师多以正向力作为设计指标。工程 实务上，正向力似乎沿用很久也颇适用。然而它并没有有效解释 导电机制，关於几何曲率半径的影响亦不清楚，以致后续有不同 的导电指标被提出。Kantner 与 Hobgood 1989IBM提出以赫兹 应力作为设计指标，间接考虑了曲率半径的效应;同时认为高赫 兹应力是较好的设计。但 Mroczkowski 1991AMP从理论与实验 结果质疑赫兹应力之适用性。Sawchyn and Sproles 1992ATampT以 正向力与曲率半径为实验参数，进行一系列低阶阻抗、热冲击、 磨耗等实验，以得到最佳化设计。由结果知道曲率半径对导电性 影响很小，但是他们并未提出可用的设计指标。 本计画针对过去设计上浑沌不明之处，从理论重新检讨与研 究，并提出可用的设计指标加以阐述。不仅适用於工程设计，也 厘清设计指 标的物理意义。由 A-spot 模型与赫兹接触理论，可以 分别由巨观与微观讨论接触导电效应。它们分别是以接触面积与 。 接触应力代表 因此本文的设计指标Ie是定义为接触面积A与接 触应力之乘积，或者称之为导电指标。显然地，指标 Ie 包括 了局部几何与应力之效应。导电指标因其精致与细腻之定义，在 未来细间距或微型连接器之设计应用，将显出其重要性与价值。 2.2 理论分析 一般在连接器导电现象都是以 A-spot 模型描述其接触导电现象。所谓 A-spot 指的是接触面上有效导通电流之小点，他们是接触面上粗糙的小凸点，如图五十一所示。当正向力增加时，A-spot面积长大增加。此处，应用 A-spot 模型与配合下列两点假设就可定义出导电指标。1接触导电性是正比於有效之接触面积。2接触面积内之有效接触面积A-spot产生的机率，正比於接触应 力赫兹应力。 第一项假设是一般之物理模型。当施加正面力时，接触面积形成电流导通之通路。由赫兹接触理论可以算出巨观接触面积通常可找到公式。但是由图五十一了解，真正产生导电的不是巨观接触面积，而是局部接触面积A-spot。因此，巨观接触面积必须乘上产生 A-spot 之机率，才是真正的导电面积。由第二项假设，自然可以定义导电指标为: Ie A 其中 是以赫兹算出之接触应 而 A 是以赫兹算出之接触面积 简言之，导电指标已考虑了巨观与微观之现象，它们分别以接触面积与接触应力来反映其效应。而材料性质与几何条件则隐含在接触面积与接触应力之中。由接触力学推得之公式列於表八。由公式知道接触应力第二行与接触面积第三行可用正面力、材料常数弹性系数、波森比和几何条件曲率半径表达。当他们相乘成为导电指标第一行时，所有的材料常数与几何条件都消去了，只剩下正向力与一常数。此常数与接触型态有关，而与几何尺寸无关此常数或可称为型态常数。观察表八之型态常数大小，他们似乎也反映了工程师对导电性的物理直观。接触型态之此种特性，在数学上特称为拓朴。由以上推演可知导电性仅与正向力和接触型态拓朴有关，而与曲率半径无关。这一点也呼应了ATampT 的实验结论:曲率半径对接触导电性影响很小。 值得注意的是此指标之单位为力量。同样的正面力在不同的局部几何条件曲率半径下得到不同的导电指标，即导电性或电阻不同。由本理论可以更深入解释接触面之导电机制，发现正向力并非真正的导电或设计指标。但是因为正向力与导电指标在导电性预测之趋势相似，即正面力愈大导电愈佳，因此目前正向力於工业上仍不失其应用价值。 此理论也部分支持了 Mroczkowski AMP的看法:赫兹接触应力不是真正的设计指标。但是赫兹应力仍然对导电有一定的贡献，因为正向力大小并不能完全描述接触导电行为。当正向力很小时微观组织将会主宰导电机制。这样的改变是以接触应力来决定;当应力很小时，微观组织效应增加。反之应力增加，A-spot面积增加，理论的描述就愈正确。但是在工程应用上，应力增加会导致磨耗等副作用。因此实际应用上，有一定之工作范围。在下一节有关实验结果之叙述，将对赫兹应力於接触导电之意义加以阐明。 从理论大致有这样的想法:导电性可由导电指标描述，而其使用范围则需考虑接触应力赫兹应力来决定。虽然正向力在工业界仍被普遍应用，但是它显然不如导电指标细腻。当连接器尺寸缩小时，过去所应用之工具势必有所调整与修正才能符合需要。2.3 实验端子之设计 上述原理说明，导电性与曲率半径无关，但接触应力(赫兹应力)则与曲率半径有关，所以设计不同 R(半径)值的实验端 ， ，子 其设计图面如图五十二所示 并镀 1 in 5 in 10 in 及 20 in 、 、不同厚度的金层(Ni 层厚度圴为 50 in)，在 30 in 镀金厚度(Ni 层厚度为 100 in)的参考铜板片上，进行实 验。铜板片选用日旷 C5210-H 材，厚度为 0.15 mm，其抗拉强度为 639N/mm2， ， ， ，及日矿 C5210R-SH 材 板厚为 0.20 mm 其抗拉强度为 807N/mm2委托台湾龙杰公司利用线切割方式(线径 0.1mm)进行，镀层部份则委托本所表面技术实验室进行。2.4 实验与结果 利用 Instron Mini 44 拉伸试验机，配合 KETHELY 580，以 0.05mm/min 的速度，接触端子向参考铜板片下压，量测荷重与 LLCR的变化关系，实验结果如图五十三,六十四所示。依据下列公式，将实验数据以线性回归方式，计算出 Cf 与 Rk。 Cf R Rk Ie 其中 R 端子电阻 C f 与 R k 为待定常 由高负荷到低负荷有一个稳定到不稳定的转换区，只有在稳定区的资料才能被用来计算 Cf 与 Rk 此处定义稳定区为赫兹接触 。应力大於材料之降服强度，即cgty2.5 结果与讨论 将实验结果以电阻对正向力的 x-y 图绘出，如图五十三,五十六及图五十九,六十二所示，分别代表镀金厚度为 1in、5in、10in、20in代号为 Au1、Au5、Au10、Au20之实验结果。为得到合适之曲线，取大於材料降服强度之赫兹应力为选择稳定资料点之准则。在此定义临界负荷Critical Load为稳定转换之负荷，当正向力大於临界负荷所得到的实验值可视为稳定值而用来做公式之回归分析。 厚度为 0.15 mm 之 C5210-H 材，对曲率半径 0.05mm、0.10mm、0.30mm、0.50mm、0.75mm 及 1.00mm代号为 R005、R010、R030、R050、R075、R100而言，它们所对应之临界负荷分别为 11.6gf、23.2gf、69.5gf、115.8gf、173.7gf、231.6gf;因此可知曲率半径愈小稳定区愈大。 为了对数据更进一步探讨，表九列出各组实验所取之有效数据个数以及临界负荷。由於实验之最大负荷只加到 250gf，所以在R075、R100 系列之数据个数较少。表十、表十一分别是 Cf、Rk之列表，将该数据图表化得到图五十七及图五十八。由图五十七、图五十八可以发现当曲率半径大於 0.3mm 左右，Cf、Rk 大致呈稳定常数，亦即适用於导电理论。虽然在 1.00mm 时曲线开始分歧，但这可归因於施加负荷范围不够大以致於取样点不够参考表九导致结果跳动。曲率半径小於 0.30mm 时，Cf 与 Rk 开始变化，但在各种不同镀金厚度下仍然具行为一致性。这可归因於当曲率半径变小时，微观行为开始支配导电行为，而其机制仍有待进一步研究。由导电公式知 Cf 决定低接触力作用时之导电度，由图五十七及图五十八发现较厚镀金在低接触力作用下确实具有较低之电阻。 初步观察图五十三,五十六似乎未能发现所谓的稳定转换区transition zone，然而进一步观察其低接触力实验数据之散乱程度，发现在较厚镀金时条件下，散乱程度较为收敛。 图五十七、图五十八显示在曲率半径 1.0 mm 以上，曲线开始分歧，可能是由於取样数不够之故。为了确定这个原因，另外再做一系列厚度为 0.20 mm(C5210-SH)的实验，这次将负荷提高至 475 gf ，以避免测试资料不足的问题，图五十九,图六十二分别代表镀金厚度为 1in、5in、10in、20in代号为 Au1、Au5、Au10、Au20之实验结果，临界负荷为 19.77gf、39.35gf、118.64gf、197.74gf 、 296.60gf 、 395.47gf ， 分 别 对 应 曲 率 半 径 0.05mm 、0.10mm、0.30mm、0.50mm、0.75mm 及 1.00mm。表十三、表十四分别列出各条件的 Cf、Rk 值，有趣的是不同镀金厚度之 Cf、Rk 平均值似乎很平均，图六十三、图六十四分别将 Cf、Rk 对曲率半径作图，由图发现资料在大曲率半径下分歧减轻了，而 Cf、Rk 对曲率半径之变化趋势仍然再现，Rk 在 r 0.30 mm 以下开始变大，与板厚为 0.15 mm 的实验结果类似，表十五列出不同负荷、曲率半径下计算所得之赫兹应力。表一、电子连接器测试项目 EIA 364 MIL-STD-1344 TP Method No.MechanicalNormal Force 04 NoneCrimp Deformation 07 2001Crimp Tensile 08 2003Durability 09 2016Mating/Unmating 13 2013Contact Retention 29 2007Engagement/Separation 37 2014Vibration 28 2005Shock 27 2004ElectricalContact Resistance 06 3004DWV 20 3001Insulation Resistance 21 3003LLCR 23 3002Capacitance 30 NoneInductance 33 NoneEMI .