2、更多會(huì)員功能。
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[連接端子] 連接器各零件設(shè)計(jì)重點(diǎn)
P:2007-05-23 23:06:24
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連接器各零件設(shè)計(jì)重點(diǎn)
1. Housing
☆ 連接器的主結(jié)構(gòu)。
☆ 其他各零件靠它決定空間定位。
☆ 導(dǎo)體零件間的絕緣功能。
☆ 尺寸規(guī)劃須兼顧成型性。
☆ 選材料須顧慮客戶(hù)的制程條件。
☆ 因應(yīng)用段需求而須限制模具進(jìn)膠口者，須註明于圖面上。
它是整個(gè)連接器的主體構(gòu)件，其他的零件往它身上組裝。它大致決定連接器的外觀尺寸，需確認(rèn)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能承受最終使用者正常使用的破壞力或是客戶(hù)明定的測(cè)試規(guī)格(例如:要求施加各方向的力于外接cable，不能看到破壞；或是安裝螺絲時(shí)，施加適當(dāng)?shù)呐ちΣ荒茉斐善茐?。
既然是主體構(gòu)件，自然肩負(fù)各零件定位的責(zé)任，因此與其他零件互配
部位的尺寸與公差(包括幾何公差)需拿捏適當(dāng)。重要feature ( 例如:安裝端子的孔，其抽屜寬度)若是由單一模仁決定其尺寸，而該模仁又可由磨床加工制作，則可設(shè)定尺寸公差+/- 0.02 mm，以確保功能。其他如正位度、平面度、輪廓度等幾何公差也要適當(dāng)運(yùn)用，方可確保功能。
端子除了靠housing 做空間上的定位，還須靠housing 對(duì)它的固持力
量來(lái)產(chǎn)生端子力學(xué)行為上的邊界條件(例如懸臂樑式端子的fixed end )，進(jìn)而在公母座配接時(shí)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼蛄Γ瑫r(shí)避免退pin 的情形發(fā)生。因此端子與housing 的干涉段尺寸與形狀拿捏必須非常小心。適當(dāng)?shù)亩俗拥勾绦螤钜约案缮媪�，才能得到適當(dāng)?shù)亩俗颖３至�，又不至于因干涉過(guò)大造成housing 變形或破裂。
在電氣功能方面，housing 肩負(fù)各導(dǎo)體零件之間的絕緣功能，以一般工程塑膠阻抗值而言，只要射出成型做得到的厚度，后續(xù)加工過(guò)程又沒(méi)有造成結(jié)構(gòu)破壞，則塑膠產(chǎn)生的絕緣阻抗與耐電壓效果都可符合規(guī)格要求。只有在吸濕性非常強(qiáng)的材料或是端子壓入造成塑膠隔欄破裂的情況下，可能發(fā)生塑膠部分的絕緣阻抗或耐電壓不合格的情形，否則該擔(dān)心的多半是裸露在塑膠之外的導(dǎo)體零件之間的絕緣效果，因?yàn)榭諝獾慕^緣效果遠(yuǎn)不及工程塑膠的好。
Housing 的設(shè)計(jì)除了考慮上述的功能性，也須考慮射出成型的制造性，太厚或太薄或是厚薄不均都不適合，太厚則縮水嚴(yán)重，太薄不易飽模，
厚薄不均則液態(tài)塑料充填時(shí)流動(dòng)波前不平衡易造成冷卻翹曲。通常制工負(fù)責(zé)畫(huà)好具備零件功能性的模型交給塑模模具設(shè)計(jì)工程師，模具工程師會(huì)依經(jīng)驗(yàn)判定該在何處加上什么樣的逃料以改善成型性，但是若原始設(shè)計(jì)的肉厚實(shí)際尺寸已經(jīng)很小而又有厚薄比例懸殊的情形，則模具工程師也無(wú)法靠逃料調(diào)整，制工應(yīng)避免此種情形發(fā)生。模具工程師做好逃料的規(guī)劃后，應(yīng)該與制工確認(rèn)逃料后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否仍符合功能性的要求(有時(shí)在裝配上其他零件之后會(huì)有補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的功效，應(yīng)一併考慮，例如:鐵殼剛性夠好，則經(jīng)過(guò)鉚合于housing上，整體剛性便已足夠)，確認(rèn)后再進(jìn)行模流分析與開(kāi)模動(dòng)作。
塑膠材料簡(jiǎn)單分為高溫料與低溫料，以材料的熱變形溫度與一般SMT
制程溫度做比較來(lái)區(qū)分高溫料與低溫料。一般notebook 使用的連接器皆須經(jīng)歷SMT高溫制程，因此必須選用高溫料。有些情形必須在housing 上表面保留足夠的平面供客戶(hù)作自動(dòng)插件的真空吸取區(qū)，因此須避免在該處安排進(jìn)膠點(diǎn)或是模仁接合線(xiàn)，以免真空吸嘴失效。
Housing 的底面設(shè)計(jì)要注意，避免壓到PCB上涂的錫膏，以免造成pad間的短路，因此而有standoff 的設(shè)計(jì)。此外，standoff 有另一功能，就是提供SMT type solder tail調(diào)整共平面度的基準(zhǔn)，也可藉調(diào)整各standoff 的高度來(lái)補(bǔ)償housing的翹曲變形。
2. Contact
☆ 電訊傳遞的橋樑，可做signal or power 的傳遞，也可藉后縮短端子做detection以確認(rèn)公母座是否配接完全。
☆ 須確認(rèn)其力學(xué)行為，提供適當(dāng)?shù)恼蛄Α⒐概涞牟灏瘟�、保持力、并且保持在彈性變形范圍�?nèi)。
☆ 為確保電氣功能，尚須注意端子的尺寸、銅材與電鍍規(guī)格。
☆ 有長(zhǎng)短pin安排時(shí)，須考量生產(chǎn)組裝的便利性。
☆ 公母端子互配的wiping distance 要足夠。
☆ 公母接觸區(qū)以及SMT 焊接區(qū)須避免下料毛頭，必要時(shí)coining 成球面以免刮傷接觸表面。
☆ SMT tail 的形狀與尺寸安排恰當(dāng)。
☆ fine pitch insert molding 的產(chǎn)品，要避免塑膠包覆到端子的鍍錫鉛區(qū)，以免發(fā)生熔錫短路的情形。
☆ 彈性端子在懸臂根部附近應(yīng)避免大角度、小半徑之折彎，以免因折彎產(chǎn)生的裂紋影響端子的壽命。
☆ through hole type 端子焊腳的pitch不可太小，否則客戶(hù)的PCB制作或lay線(xiàn)會(huì)有問(wèn)題。
連接器的功能主要就是靠端子將電訊從一個(gè)電路系統(tǒng)傳到另一電路統(tǒng)，因此公母連接器配接之后，須確保公母端子有對(duì)號(hào)入座并產(chǎn)生良好的電氣導(dǎo)通。除了靠公母座的housing & shell 等零件使公母端子落在正確的互配位置，尚須確保公母端子間的接觸正向力足夠大，足以讓電訊順利通過(guò)接觸面，若是接觸正向力不足，則接觸面的微觀狀況便是只有細(xì)微的點(diǎn)接觸，單靠零星的細(xì)微點(diǎn)接觸，其阻抗值可能大到幾個(gè)歐姆，造成太大的電位降，使電訊接收端無(wú)法處理。通常鍍金表面的硬度較低且金的導(dǎo)電性佳，因此接觸面的正向力有20 gf 便可高枕無(wú)憂(yōu)，但是設(shè)計(jì)者須有公差的觀念，不可將設(shè)計(jì)的公稱(chēng)值定在20 gf，建議設(shè)在大約40 gf左右。因?yàn)橐话鉏/O 連接器的插拔壽命定在數(shù)千次，這代表端子互配時(shí)必須是做彈性的變形才能在耐插拔測(cè)試結(jié)束時(shí)仍保有適當(dāng)?shù)慕佑|正向力，在端子的選材上，C5210 比C5191 不易降伏。此外，端子的接觸區(qū)鍍金膜厚也必須能承受數(shù)千次的磨耗，通常，須耐5000 次插拔的docking conn. 與module conn. 在接觸區(qū)鍍金皆為30micro-inch min.。為了使連接器整體插入力不要太大，以免使用不順手甚至造成端子被頂退、頂垮，必須注意端子前端的導(dǎo)引斜面不可太陡，一般設(shè)計(jì)在40 度角以下。
端子的保持力規(guī)格設(shè)定，因連接器經(jīng)過(guò)SMT高溫后會(huì)有保持力降低的情形，因此在生產(chǎn)線(xiàn)上抽測(cè)保持力時(shí)，要求的規(guī)格下限就比端子互配的插入力大了許多，例如每一根端子的互配插入力為30 gf，但是保持力定成300gf min.，就是考慮到公差的變異、使用者插拔的惡劣狀況以及SMT 高溫的破壞力。
端子的LLCR規(guī)格，除了考慮接觸面的鍍層與正向力所決定的接觸阻抗，尚須考慮端子本身的導(dǎo)體阻抗，這就取決于端子的材料、尺寸。黃銅導(dǎo)電性佳但是機(jī)械特性差，只適合做公端子；磷銅導(dǎo)電性較差但是彈性較好，可用以制作彈性母端子；鈹銅兼具彈性好、導(dǎo)電性佳的特性，但是材料貴、取得困難又有環(huán)保的問(wèn)題。端子尺寸設(shè)計(jì)好之后，便可依截面積變化情形分割成數(shù)段，分別估算其導(dǎo)體阻抗后累加起來(lái)，再加上適當(dāng)?shù)慕佑|面阻抗，便可概略估算產(chǎn)品的LLCR值。若是產(chǎn)品有長(zhǎng)短不一的端子，則估算最長(zhǎng)端子的阻抗即可。
另一電氣特性是額定電流，這也取決于端子的材質(zhì)與截面積，截面愈大則單位長(zhǎng)度的阻抗愈小，通電流所產(chǎn)生的熱量愈少，則端子溫度上升幅度較小，也就可以傳導(dǎo)較大的電流(額定電流的定義是:端子傳遞該電流時(shí)，本身溫度上升幅度不超過(guò)攝氏30度)。
公母端子的wiping distance設(shè)定值不可太短，一方面是為了確保清除表面污物的效果，一方面也是為了包容自家的制造公差以及客戶(hù)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)公差，一般設(shè)計(jì)，最短的端子也要有1.0mm的wiping distance才保險(xiǎn)。
長(zhǎng)短pin的設(shè)計(jì)，有的是為了降低整體插入力而做成長(zhǎng)短pin交錯(cuò)；有的則是為了讓端子有配接時(shí)間差，例如:希望grounding pin先接通,所以有幾支特別長(zhǎng)的端子作為grounding pin，另外可安排幾支最短pin在框口的兩端作為偵測(cè)用端子，只要最短pin全部都接通了，就代表其他的訊號(hào)端子都已接通(因此偵測(cè)端子須安排在框口兩端)�？紤]產(chǎn)品的制造公差，長(zhǎng)短pin 的尺寸差異要適當(dāng)，以免在worst case 失去時(shí)間差的效果，一般0.5mm 作為差異量，若一產(chǎn)品有長(zhǎng)中短三種端子，各自長(zhǎng)度差異為0.5mm，又要確保最短pin 的wiping distance 足夠，則產(chǎn)品的尺寸會(huì)因而變大。長(zhǎng)短pin 的位置安排，除非客戶(hù)因其他電性功能需求而須指定位置，否則應(yīng)考量廠內(nèi)組裝的便利性，因?yàn)椴徽撌强窟B續(xù)模直接沖出長(zhǎng)短pin 或是經(jīng)過(guò)2nd forming 得到，總是比長(zhǎng)度ㄧ致的端子多耗工時(shí)或是電鍍多耗貴金屬，因此應(yīng)該盡量將長(zhǎng)或短pin 等較特殊的端子安排在同一排端子料帶上(有些產(chǎn)品例如docking connector 是由八排端子料帶安裝而成，則應(yīng)避免長(zhǎng)短端子散布在八排料帶上)。
有些記憶卡的連接器，因?yàn)榕c端子接觸的是記憶卡上的金手指，有些
金手指的鍍金質(zhì)地較軟，端子稍有不平滑，插拔三五次就可在金手指上看到明顯刮痕，因此須將端子杯口coining成球面以減輕磨耗。否則即使模具設(shè)計(jì)杯口上表面為剪切面沒(méi)有毛頭，但是經(jīng)過(guò)折彎成杯口時(shí)，該處上表面兩邊緣便會(huì)因?yàn)镻oisson effect而向上翹，因此在公母互配時(shí)就只有這向上翹起的兩條edge在公端子(或金手指)上滑動(dòng)，磨耗問(wèn)題仍然嚴(yán)重。
SMT產(chǎn)品的焊腳設(shè)計(jì)，在水平段最好有一個(gè)Z字形折彎以避免焊點(diǎn)上過(guò)大的熱應(yīng)力，另外，真正要吃錫的那一段tail與水平面的夾角不可太大，否則造成只有末端或是折彎點(diǎn)處吃錫，都不能通過(guò)SMT銲錫的檢驗(yàn)。端子的電鍍要注意避免鍍錫區(qū)直接與鍍金區(qū)相連，以免于SMT制程中發(fā)生溢錫(solder wicking)的不良情形。當(dāng)產(chǎn)品pitch 很小，端子受housing 固持的部分又很短，很難靠裝配方式得到可靠的固持效果與保持力，這時(shí)就應(yīng)考慮insert molding(夾物模壓)的方式。採(cǎi)取此方式在端子方面要注意兩點(diǎn):
(1).在塑模內(nèi)的封料部分的端子寬度尺寸要控制在0.03mm(正負(fù)一條半)的變異范圍內(nèi)(連電鍍層的厚度都要考慮進(jìn)去)，以免過(guò)寬遭模具壓壞或是太窄出毛頭。另外封料段應(yīng)該是平面段，避免在折彎曲面上封料。
(2). insert molding 時(shí)，高溫液態(tài)塑料流經(jīng)端子表面，溫度可能高于攝氏300度，會(huì)造成端子表面的錫鉛熔化而隨塑料向下游流動(dòng)，不巧搭接到相鄰端子時(shí)，變?cè)斐缮涑龀善返膕hort問(wèn)題。所以必須避免鍍錫鉛區(qū)延伸到塑料覆蓋區(qū)內(nèi)。
彈性端子在公母配時(shí)，內(nèi)部應(yīng)力最大的地方在懸臂的根部，應(yīng)該避免
該處附近有任何應(yīng)力集中的情形，折彎半徑太小所造成的裂紋是嚴(yán)重的應(yīng)力集中處，應(yīng)避免在彈性端子根部附近作半徑太小的折彎，若必須折彎則建議取該材料最小R/T 比的兩倍以上的折彎半徑，以免發(fā)生裂紋。有些端子設(shè)計(jì)為電鍍后做二次折彎再進(jìn)行裝配，二次折彎點(diǎn)應(yīng)該為鍍錫鉛區(qū)所涵蓋，因?yàn)殄a鉛鍍層比鎳鍍層軟而延展性較佳，比較不會(huì)因?yàn)槎握蹚澏a(chǎn)生鍍層裂紋，但是也因?yàn)楸容^軟而較容易被折彎治具弄出刮痕。
端子以壓入方式與housing組合者，常在端子壓到定位后，治具向后
退開(kāi)時(shí)又發(fā)生端子向后退出一些的情形，因此最好不要設(shè)計(jì)成端子靠肩(治具推端子的施力點(diǎn))與housing后表面切齊，以免無(wú)法壓到位。通�？考绮糠质嵌俗勇懵对趆ousing之外最寬的地方，也就是相鄰pin間隔著空氣距離最短的地方，要注意此處的耐電壓能力。目前為止聽(tīng)過(guò)客戶(hù)能容許的PCB孔緣間距最小為0.15mm，因此如果端子在配接框口中的pitch太小，則tail應(yīng)該錯(cuò)開(kāi)成多排以增加PCB 孔間距。
3. Spacer
spacer主要是將端子的tail做精確的定位，以方便客戶(hù)將connector插件于PCB上。若空間容許，可設(shè)計(jì)成浮動(dòng)式的:客戶(hù)收到貨時(shí)spacer在下死點(diǎn)，端子tail凸出spacer底面的長(zhǎng)度較短，則tail尖端的正位度最準(zhǔn)，客戶(hù)直接對(duì)準(zhǔn)PCB 孔位插入，插入過(guò)程順便將spacer向上推至定位。設(shè)計(jì)時(shí)要注意如何使spacer穩(wěn)固的定位在下死點(diǎn)，不會(huì)脫落、也不會(huì)因?yàn)檎饎?dòng)而自行上抬到上死點(diǎn)，此外，在裝配線(xiàn)上，因?yàn)楫a(chǎn)品檢驗(yàn)有類(lèi)似插板的動(dòng)作，因此也要設(shè)計(jì)成方便以簡(jiǎn)易治工具將spacer自上死點(diǎn)退回到下死點(diǎn)。另外就是考慮spacer如何容易裝配到housing上，要讓端子tail穿過(guò)spacer的孔，一般是將spacer孔的上緣做成很大的chamfer，若端子有很多排，則可將spacer做成階梯狀，以便在組裝時(shí)分段依序?qū)?zhǔn)各排端子tail而安裝入housing。設(shè)計(jì)的概念是要靠spacer將端子校正，但是曾經(jīng)發(fā)生歪斜的端子不但沒(méi)被校正反而將spacer帶歪了的情形，當(dāng)時(shí)的對(duì)策是將spacer中的端子孔形狀修改，讓平直段的長(zhǎng)度縮小到0.2~0.3mm，其余長(zhǎng)度都做成上述chamfer的斜面部分，這樣的形狀使spacer校正端子時(shí)的接觸為近似點(diǎn)接觸(只在那一小段平直段的孔壁上接觸)，那么端子施給spacer的反作用力(也是point force的集合)就不容易造成spacer翻轉(zhuǎn)歪斜。以docking conn. 產(chǎn)品的spacer 而言，階梯狀的設(shè)計(jì)，具有保護(hù)端子的功能，因?yàn)殡A梯狀使端子外露于塑膠之外的部分縮小，作業(yè)員取放時(shí)，比較不容易捏壞端子(此為客戶(hù)的使用經(jīng)驗(yàn))，但是伴隨而來(lái)的影響則是端子散熱的效果較差、產(chǎn)品總重量較重(曾有客戶(hù)抱怨我們的產(chǎn)品比AMP的多了6~7克)。Spacer底面的standoff 設(shè)計(jì)不可省，否則必定造成壓錫膏的問(wèn)題。Standoff 的高度至少要0.15mm。
4. Shell
shell 的功能包括:機(jī)構(gòu)方面有結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、公母座配接框口界定、連接器于PCB 的定位、分擔(dān)外力等功能。電氣方面有EMI遮蔽、ESD接地甚至有當(dāng)作power傳輸?shù)耐�。以上功能除了必須確保shell與housing穩(wěn)固的接合，尚須做好shell與PCB的接地導(dǎo)通。
Shell的構(gòu)造分兩種，一是以抽引方式成型，一是以折彎包覆方式成型。前者的結(jié)構(gòu)剛性較佳，但是模具技術(shù)較高，材料必須選用延展性佳者，
才不會(huì)在抽引加工時(shí)破裂。例如SPCC、SPCE與黃銅都適合做抽引加工，
但是不銹鋼就極難做抽引加工。沖壓工程師在抽引模具開(kāi)發(fā)時(shí)，初始設(shè)計(jì)依制工設(shè)計(jì)的零件R角尺寸制作沖子，但是往往在試模時(shí)因?yàn)榘l(fā)生材料破裂便自行將沖子的R角加大，最后是順利抽引出鐵殼，但是在法蘭邊與抽
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