1、东莞昆嘉电子有限公司連接器設計手冊Design Guide for Connector1 目录1.連接器產品基本特征2.塑膠零件設計 2-1.塑膠結構設計 2-2.塑膠材料選擇3.端子五金零件設計 3-1.保持力設計 3-2.正向力設計 3-3.端子應力設計 3-3.銅材選用4.高頻設計5.電鍍設計6.PCB焊接技術簡介2连接器的特性高速傳輸(High speed transmission)散熱(Heat dissipation)電磁波/高頻測試(EMI/RFI)噪音(Acoustics)電力分配(Power distribution)結構(Mechanical design)外觀(Produ
2、ct styling & Cosmetics)環保(Environmental protection & Recycling)3輕量化(Low Weight)小型化,小pitch化(Minimum Size)低成本(Low Cost)高性能(Height Performance)量产性(Height Productivity)连接器设计理念4设计程序5第一章. 塑膠零件設計62-1.塑膠零件結構設計-壁厚(Thickness)設計設計原則:1.壁厚均勻2.盡可能小的肉厚3.受力處和合膠線處要有足夠的厚度,保證一定的強度(圖示)合膠線受力面如果無法避免不均勻的肉厚設計時,應盡量采用逐步過渡的形式
3、,避免突變,否則容易產生變形不好的設計好的設計肉厚過渡部份72-1.塑膠零件結構設計-壁厚(Thickness)設計左圖肉厚設計不均勻,右圖為改進後的設計,肉厚設計均勻,成型時不易產生縮水,氣泡,變形等不良現象GoodGoodBadBad82-1.塑膠零件結構設計-加強筋(Rib)設計主體肉厚: T拔模角度D: 0.5 -1.5 加強筋高度: 小於5T(一般為2T3T加強筋間距: 2T3T連接圓弧半徑: R=0.250.4T寬度(W): 0.40.8T(PC/ABS小於0.5T, ABS為0.5-0.7T)92-1.塑膠零件結構設計-凸台設計凸台尺寸設計規范主壁厚: T拔模角(d): 0.5
4、-1.5 凸台高度: 小於5T(一般2.53T)過渡圓弧半徑R: 0.25T0.40T凸台厚度(W): 0.4T0.8T102-1.塑膠零件結構設計-角撐(Gussets)設計112-1.塑膠零件結構設計-一般圓角設計12連接器設計選用塑膠原料的原則 由於連接器的housing結構特點基本上都是,薄肉(最小的小於0.2mm),多pin孔,細長結構,同時因應IT行業的產品更新換代快,競爭激烈,所以材料的選擇必需遵循一下的原則:1.流動性好,可成型肉厚較薄的產品(如LCP,PPS,NAYLON類)2.高強度,抗沖擊性,3.耐高溫(SMT焊接制程的需要)4.優異的電氣性能(高絕緣電阻,低的介電常數)
5、5.冷卻速度快(縮短成型周期,提高效率,節約成本)6.在滿足性能的狀況下,盡量選用價格便宜的材料13連接器設計常用的塑膠原料特性比較141516171819第二章. 端子零件設計201. 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。2. 保持力太大，有兩項缺點：n(1)增加端子插入力，易造成端子變形n(2)增加 housing 應力，易造成 housing 變形。3. 保持力太小，有兩項缺點：n(1)正向力不，造成電訊接觸品質不良，n(2)端子易鬆保持力的作用:固持端子于固持端子于 Housing中中,防止落防止落接時接時 ,提供提供 Connector,整体保持力整体保
6、持力檢驗端子壓狀況及隔欄強度狀況檢驗端子壓狀況及隔欄強度狀況(耐電壓性能耐電壓性能 )21n保持力設計參數包括：塑膠選用，端子卡榫設計，干涉量設計。n 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。n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。n干涉量通常設計在 0.03mm-0.13mm 之間3-1. 保持力的影響因素223-1. 保持力的影響因素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，
7、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)。233-1.卡榫的結構設計雙尖點雙邊卡筍單尖平面單邊卡筍單尖雙邊卡筍 單尖單邊卡筍雙尖點單邊卡筍單尖平面雙邊卡筍243-1.卡榫的結構對保持力的影響1. 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。2. 單邊卡榫較雙邊的保持力大。3. 雙凸點較單凸點的
8、保持力大，但不明顯，可以忽略。4. 凸點前的導角角度與保持力無關。5. 較薄的板片保持力也相對的較低6. 總結而論：端子和塑膠接觸面積越大，保持力越大，而且其效果非常明顯。253-2. 端子正向力設計鍍金端子正向力：50-150 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。26鍍金端子正向力輿接觸阻
9、抗的關係圖示曲線表明:當正向力大於50gf後,接觸阻抗幾乎不隨正向力而變化0.010.020.030.040.050.0501001502002500LLCR(mOhm)Normal Force(gf)27端子正向力的設計必需考慮材料的最大應力,端子理論應力的計算方法如下: d : 位移量 (mm) E : 彈性係數 (110 Gpa) s : 最大應力(Mpa) F : N(50-100gf)* Forming and blanking 端子設計差異及重點F:理論正向力28理論應力 / 材料強度永久變形(mm)永久變形輿理論應力的關係29永久變形輿正向力的關係30n永久變形受 FEM 最大應
10、力影響，也就是應力集中之影響，因此應力集中會造成永久變形。n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。n當端子之理論應力大過材料強度時，其反覆耐壓之次數及無法達到 1萬次，應力愈高次數愈少，但應力超過最大之 1.8倍時尚有 2000 cycles.n若品設計應力高出材料強度很高時很容易生跪pin現象。永久變形輿應力的關係31端子接觸理論A-spotsApparentcontactareaEffectivecontact areaSURFACE1SURFACE2PPPPPP32幾何接觸形態球對平面接觸圓柱對圓柱接觸圓柱對平面接觸平面對平面接觸33電流流過端子接
11、觸區域時的總電阻電流流過端子接觸區域時的總電阻(RT),是為是為 体積電体積電阻阻 (RB),擠縮電阻擠縮電阻 (RC),和簿膜電阻和簿膜電阻 (Rf)的的總和總和RcRfR +111+.CR=bulkRRcfSURFACE1SURFACE2PPPPPP34接觸阻抗實際阻抗 實際阻抗值=素材阻抗接觸阻抗素材體積阻抗L : 端子導電長度 (mm)A : 端子截面積 (mm2)s: 導電率 (%)純銅之電阻係數=17.24110-3 (Cf, Rk, Ie取值見附頁)35一般材料導電率表363738低接觸電阻與素材電阻而滿足迴路需求腐蝕電阻須低確實插入時，須有低摩擦力與良好的導電性適當的彈性特性價
12、格須低傳導性(Conductivity)最小素材電阻延展性(Ductility)幫助端子之成形降伏強度(Yield Strength)在彈性範圍內，可擁有大的位移應力鬆弛(Stress Relaxation)端子於長時間受力或使用於高溫時 抗拒負載能力仍能維持q硬度(Hardness)減少端子金屬的磨損銅材選擇基本要求:39連接器端子常用銅材l 黃銅 (Brass) - 價格低 ,導電性佳 ,機械強度差l 磷青銅 (Phosphor Bronz) - 價格中等 ,導電 性略差 ,機械強度佳 .l 鈹銅(Beryllium Copper) - 價格高 ,導電性及 機械強度均佳 .40 隨著合金強
13、度增加 : 成型性降低 最小的彎曲半徑:內R=1倍銅板材料厚度 材料沖壓特性 方向與幾何特性端子材料成型性特點41端子彈臂結構形狀Reflex SpringRolling Leaf SpringDouble Reflex SpringPre-loaded Contact Spring42第三章. 連接器高頻設計43高頻連接器的基本參數:串音:信號在導體內傳輸時受外部電磁波干擾的現象阻抗匹配:高頻信號傳輸時連接器是阻抗不匹配的可能發生點,電感(L):傳輸導體的電感電容(C ):端子之間的雜散電容爬升時間(Tr):信號的爬升時間短-高頻,爬升時間短阻抗匹配困難4445464748連接器在高頻工作時
14、,信號的傳輸類似波的行為,傳輸過程中會發生以下現象:1.散射: 信號可能會在空間散布,影響到臨近的端子,或受外來電磁波的影響,即所謂的串音或電磁干擾(EMI),電磁波的能量形式通常用電感L,電容C來表示,L和C越大,干擾越大2.阻力: 電磁波經不同的環境會有不同的傳輸行為,具體來說,類似直流電的電阻,稱為阻抗(Impedance),阻抗是L和C的組合效應:Z0=L/C ,只有當所有傳輸路徑的阻抗差不多時,傳輸才會順利,否則會發生反射,即阻抗不匹配(Impedance mismatch).爬升時間越短,阻抗匹配越困難49因連接器之目的即為傳輸信號,而傳輸線的電容,電感取決於導體的几何形狀和介質特
15、性電容:C=AD若是設計不良,則會導致信號傳輸延遲,訊號扭曲及阻抗不匹配的現象,信號傳輸的路徑越長,L越大,材料(輿housing材質有關)的介電常數越大,C越大,所以高頻連接器的設計必需考慮端子的形狀和材料的選擇50第四章. 連接器電鍍的功能和目的51CONTACT的功用CONTACT的要求電鍍的目的功用鍍鎳素材打底保持力平整底材避免形成界面混合物提高硬度隔離金和銅五金零件外觀外觀保証外觀鍍金連接接觸阻抗小提高導電性能價值高壽命長a.防止腐蝕b.提高表面硬度和耐磨性能鍍錫鉛固定焊接焊接性能好提高焊錫性能五金零件外觀外觀保証外觀連接器電鍍的功能和目的52第五章. PCB焊接技術簡介53一.分類
16、說明: 按與母板(P.C.B)焊接方式不同,PC連接器可分為鍍層穿孔(Plated Through Hole)和表面粘著(Surface Mount)兩種. 1.鍍層穿孔(簡稱T/H). T/H是把圓形,矩形,四方插腳(Solder Tail)插在P.C.B的通孔里,過波峰焊(Wave Solding)焊在P.C.B上的技術. T/H的特點是:結構簡單,操作方便,對材料要求不高,成本較低, 因而應用廣泛. 缺點是:需要穿孔,故P.C.B只能單層安裝元件.PCB組裝的分類542.表面貼裝(簡稱SMT) SMT是在P.C.B上使用焊錫墊(Solder Pad),使其高溫融化與連接器管腳焊在一起的技
17、朮.它的優點是:可以雙面安裝,增加P.C.B使用面積層數,使其 布線更合理,更緊湊.它的缺點是:安裝定位要求高,需要耐高溫材料,如(PA6T. PPS.LCP等),成本較高.Welding Between Connector And Printed Circuit Board 55印刷電路板電阻積體電咯IC焊點焊墊(a)傳統零件之焊點結構印刷電路板焊點焊墊電阻(b)SMT零件之焊點結構56對於T/H焊接,一般焊錫腳輿PCB板孔的間隙在0.20.4mm之間最為合適,推薦使用的焊錫腳大小見附表; 端子腳露出PCB的長度:一般要保證良好的焊接效果,端子腳長度需高出PCB板0.8mm以上57SMT之優
18、點 1,可使封裝密度提高50%-70%; 2,可將多個零件合並於一個SMA相; 3,可用更高腳數之各種零件; 4,提高傳輸速率; 5,組裝前無須任何準備工作; 6,具有更多且快速之自動化生產能力; 7,減少零件貯存空間; 8,節省製造廠房,且總成本降低.58發料Parts Issue基板烘烤Barc Board Baking錫膏印刷Solder Paste Printing泛用機貼片Multi Function Chips Mounring 迴焊前目檢Visual Insp.b/f Reflow熱風爐迴焊Hot Air Solder Reflow修理Rework/Repair迴焊后目檢測試品管
19、入庫Stock修理Rework/Repair點固定膠Glue Dispensing高速機貼片Hi-Speed Chips Mounting修理Rework/RepairSMT技術組裝流程圖Surface Mounting Technology Process Flow Chart59Slope:Keep the slope low to minimize motherboard warping during preheat.Peak temp245+/-5deg CSlops 3deg-C/secTime liquidus 45-90 secondsSlop 3deg-C/secHold at
20、 130-160 deg C for approx.2 minutes183 CBoard Temp(升溫區)(恆溫區)(溶解區)(冷卻區)Time 130-160C range:Extended period allows board temperature to stabilize(warp) and allows flux to finish cleaning prior to reflow.Also help minimize thermal of reflow.SMT Process602502001501005000326496128160192224256288320352384
21、焊接曲線Rcflow profiles611.平面度要求: 平面度是SMT連接器最重要的參數之一.如果變形大,就會在P.C.B上 虛焊,漏焊.它一般受TAIL本身平面度.焊錫墊平面度及塑膠本体之變形等影響.在檢測方面有CCD2.TAIL真直度要求: 因為客戶P.C.B上焊錫墊的寬度及位置是固定的.如果TAIL之真直度不符規格,則會造成錯焊.斜焊等嚴重不良.3.導通要求: 連接器最基本功能是導通,SMT連接器因其PITCH小,端子強度較弱,故導通測試實驗上較難掌握,治具檢測方法不當,即會造成TAIL和BELLOW變形.4.塑膠耐焊錫熱變形要求: SMT連接器的焊接一般要經過兩次高溫,其不良主要表
22、現在過焊錫后變形超過規格及塑膠本身起泡而影響焊接品質,克服此不良主要從材料,成型條件,成型机台方面考慮.SMT對連接器功能的要求對連接器功能的要求625.其它要求: 比如金屬絲.因為SMT連接器的PITCH小,如果金屬絲的長度超過PITCH,則可能錯接造成短路.一般金屬絲是由于折CARRY造成,解決方法有把打V-CUT結構折CARRY方式改為切CARRY方式或者盡量減少V-CUT處寬度,使其金屬絲減至最短及杜絕.SMT對連接器功能的要求對連接器功能的要求63第六章. 錫膏輿助焊劑64焊膏的分類合金熔點: 1. 高溫焊錫膏, 2. 一般焊錫膏 3.低溫焊錫膏 根據焊接溫度不同,可選擇不同溶點的焊
23、錫膏.對表面貼裝 來說,焊膏的熔點一般為179-183助焊劑活性: 無活性(R);中等活性(RMA);活性(RA);超活性(R)焊膏的粘性: 根據工藝手段的不同來選擇清洗方式: 溶劑清洗,水清洗和免清洗,免清洗是當今電子行業發展 的方向. 65銲錫膏的種類 66 1.溶劑 將助焊劑之所有組成溶解成一均勻狀之溶液進而得到一 活性均勻之助焊劑 2.活性劑 1)消除焊接面之氧化物,降低表面張力 2)活性劑之種類 A.有機酸類 B.有機氨類 C.有機酸鹼酸鹽 3.抗捶流劑 1)防止錫粉與錫膏助焊劑分離 2)防止錫塌 錫膏助焊劑成份67助焊劑的分類(依成份)68無鉛制程常用焊材合金無鉛焊材的熔點普遍高於傳統的錫鉛系焊材,這對於連接器來說,要求housing要能夠承受更高的錫溫,故為了在設計SMT型連接器時,要選擇能夠承受更高的錫溫的塑膠材料,目前有客戶的無鉛制程要求塑膠材料能夠在265保持10秒不產生變異,針對有無鉛要求的客戶,我們的材質要重新評估.69c 理理 論論 指指 導導 實實 際際c 實實 踐踐 檢檢 驗驗 真真 理理70
