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電子連接器設計
15
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.
2.
3.
4.
5.
6.
16
1.1 正向力設計
17
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
50.0
T:0.15 R:0.30 Au: 1
Sample 1
Sample 2
40.0
Sample 3
Sample 4
LLCR ( mOhm )
Sample 5
30.0
20.0
10.0
0.0
0
50
100
150
Normal Force ( gf )
200
250
18
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
19
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。
20
2.1 端子應力設計基礎
3
dEbh 理論正向力
F
3
4L
3dEh
6L
F
2
2
2L
bh
理論最
大應力
E : 彈性係數 (110 Gpa)
d : 位移量 (mm)
: 最大應力(Mpa)
* Forming and blanking 端子設計
差異及重點
F : N(98gf)
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)
理論值/
理論值
FEM
材料強度
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
297
445
594
742
891
1040
1188
1337
1485
525
787
1050
1312
1575
1838
2100
2363
2625
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
永久變
形量
(mm)
0
0.01
0.02
0.05
0.09
0.15
0.20
0.27
0.34
Cycle No.
>10000
>10000
>10000
>10000
8000
5000
2000
2.4 正向力結果之比較
500.0
450.0
400.0
350.0
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
Normal
Force(Excel;g)
Normal
Force(FEM:g)
Normal
Force(Measure;g)
0
0.5
1
1.5
2.5 理論應力與永久變形之關係
0.4
0.3
永久變形量
(mm)
0.2
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
理論應力 / 材料強度
1.6
1.8
2
2.6 永久變形和正向力之關係
正向力(g)
端子位移0.9mm
250
200
150
100
50
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
位移(mm)
第一次測試
第十次測試
0.8
0.9
2.7 端子反覆耐壓實驗
端子位移0.7mm
正向力(g)
250
200
150
100
50
0
1
1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001
Cycle數
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，
– (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。
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 mm-130 mm 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.
2.
3.
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。
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。
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，保持力呈线
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
4.
5.
6.
7.
8.
9.
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
Zenite
6130L (A3)
Sumik
E6006L (B3)
Vectra L140
(C4)
PA 46
TE250F6
(D3)
PA 6T
C430CN (E3)
PCT CG941
(F4)
B02
r_F＝42 I－
1
r_F＝29 I＋
58
r_F＝54 I－
89
r_F＝24 I＋
349
r_F＝44 I＋
12
r_F＝40 I－
5
B03
r_F＝27 I＋
147
r_F＝35 I＋
4
r_F＝40 I＋
6
r_F＝47 I＋
146
r_F＝53 I－
60
r_F＝36 I－
31
B22
r_F＝74 I＋
222
r_F＝43 I＋
196
r_F＝77 I＋
270
r_F＝73 I＋
646
r_F＝82 I＋
391
r_F＝41 I＋
416
r_F : 保持力 (gf)
I : 干涉量 (10 mm)
4.0 Contact resistance
CR Rbulk
1
1
1
...
Rc R f
4.1 接觸電阻設計
電子連接器接觸電阻設計包括兩部分：
1.
2.
端子材料電阻
接觸端電阻
4.2 材料電阻計算
L : 端子導電長度 (mm)
RB (m)
17.24 103
L
A
A : 端子截面積 (mm2)
: 導電率 (%)
磷青銅(C5191, 5210)的導電率約為13%，黃銅(C2600)導電
率約26%，BeCu and C7025 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。
4.3 接觸點電阻
300
RC (m)
3.5
F ( gf )
50.0
T:0.15 R:0.30 Au: 1
Sample 1
Sample 2
40.0
Sample 3
Sample 4
LLCR ( mOhm )
Sample 5
30.0
正向力在 50-150 gf 之間接
觸點電阻值在4-8 m-ohm。
正向力小於50 gf, 接觸電阻
則快速增加。
20.0
10.0
0.0
0
50
100
150
Normal Force ( gf )
200
250
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 6.5 m-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
1.
請計算接觸電阻
1.
2.
3.
4.
23.2
25.5
29.8
33.3
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 3000 hr 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，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)
6.1 Temperature rise
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 : degree F
J : current (amps)
2 2
J L
T
2
2A
L : beam length (in)
A : cross section area (in*in)
: electric conductivity (%IACS)
k : thermal conductivity (BTU/ft.hr.F)
6.1 Temperature rise example
溫升：
(1) 33℃
(2) 38℃
(3) 45℃
7. 端子材料選用
7 端子材料選用
THANKS!
THE END