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連接器各零件設計重點


www.nigat.com 2018年11月27日

    


. Housing

☆ 连接器的主结构。

☆ 其他各零件靠它决定空间定位。

☆ 导体零件间的绝缘功能。

☆ 尺寸规划须兼顾成型性。

☆ 选材料须顾虑客户的制程条件。

☆ 因应用段需求而须限制模具进胶口者,须注明于图面上。

它是整个连接器的主体构件,其他的零件往它身上组装。它大致决定连接器的外观尺寸,需确认其结构强度能承受最终用户正常使用的破坏力或是客户明定的测试规格(例如:要求施加各方向的力于外接cable,不能看到破坏;或是安装螺丝时,施加适当的扭力不能造成破坏)。

既然是主体构件,自然肩负各零件定位的责任,因此与其他零件互配部位的尺寸与公差(包括几何公差)需拿捏适当。重要feature ( 例如:安装端子的孔,其抽屉宽度)若是由单一模仁决定其尺寸,而该模仁又可由磨床加工制作,则可设定尺寸公差+/- 0.02 mm,以确保功能。其他如正位度、平面度、轮廓度等几何公差也要适当运用,方可确保功能。

端子除了靠housing 做空间上的定位,还须靠housing 对它的固持力

量来产生端子力学行为上的边界条件(例如悬臂梁式端子的fixed end ),进而在公母座配接时产生适当的正向力,同时避免退pin 的情形发生。因此端子与housing 的干涉段尺寸与形状拿捏必须非常小心。适当的端子倒刺形状以及干涉量,才能得到适当的端子保持力,又不至于因干涉过大造成housing 变形或破裂。

在电气功能方面,housing 肩负各导体零件之间的绝缘功能,以一般工程塑料阻抗值而言,只要射出成型做得到的厚度,后续加工过程又没有造成结构破坏,则塑料产生的绝缘阻抗与耐电压效果都可符合规格要求。只有在吸湿性非常强的材料或是端子压入造成塑料隔栏破裂的情况下,可能发生塑料部分的绝缘阻抗或耐电压不合格的情形,否则该担心的多半是裸露在塑料之外的导体零件之间的绝缘效果,因为空气的绝缘效果远不及工程塑料的好。

Housing 的设计除了考虑上述的功能性,也须考虑射出成型的制造性,太厚或太薄或是厚薄不均都不适合,太厚则缩水严重,太薄不易饱模,

厚薄不均则液态塑料充填时流动波前不平衡易造成冷却翘曲。通常制工负责画好具备零件功能性的模型交给塑模模具设计工程师,模具工程师会依经验判定该在何处加上什么样的逃料以改善成型性,但是若原始设计的肉厚实际尺寸已经很小而又有厚薄比例悬殊的情形,则模具工程师也无法靠逃料调整,制工应避免此种情形发生。模具工程师做好逃料的规划后,应该与制工确认逃料后的结构强度是否仍符合功能性的要求(有时在装配上其他零件之后会有补强结构的功效,应一并考虑,例如:铁壳刚性够好,则经过铆合于housing上,整体刚性便已足够),确认后再进行模流分析与开模动作。

塑料材料简单分为高温料与低温料,以材料的热变形温度与一般SMT

制程温度做比较来区分高温料与低温料。一般notebook 使用的连接器皆须经历SMT高温制程,因此必须选用高温料。有些情形必须在housing 上表面保留足够的平面供客户作自动插件的真空吸取区,因此须避免在该处安排进胶点或是模仁接合线,以免真空吸嘴失效。

Housing 的底面设计要注意,避免压到PCB上涂的锡膏,以免造成pad间的短路,因此而有standoff 的设计。此外,standoff 有另一功能,就是提供SMT type solder tail调整共平面度的基准,也可藉调整各standoff 的高度来补偿housing的翘曲变形。

 

. Contact

☆ 电讯传递的桥梁,可做signal or power 的传递,也可藉后缩短端子做detection以确认公母座是否配接完全。

☆ 须确认其力学行为,提供适当的正向力、公母配的插拔力、保持力、并且保持在弹性变形范围内。

☆ 为确保电气功能,尚须注意端子的尺寸、铜材与电镀规格。

☆ 有长短pin安排时,须考虑生产组装的便利性。

☆ 公母端子互配的wiping distance 要足够。

☆ 公母接触区以及SMT 焊接区须避免下料毛头,必要时coining 成球面以免刮伤接触表面。

☆ SMT tail 的形状与尺寸安排恰当。

☆ fine pitch insert molding 的产品,要避免塑料包覆到端子的镀锡铅区,以免发生熔锡短路的情形。

☆ 弹性端子在悬臂根部附近应避免大角度、小半径之折弯,以免因折弯产生的裂纹影响端子的寿命。

☆ through hole type 端子焊脚的pitch不可太小,否则客户的PCB制作或lay线会有问题。

连接器的功能主要就是靠端子将电讯从一个电路系统传到另一电路统,因此公母连接器配接之后,须确保公母端子有对号入座并产生良好的电气导通。除了靠公母座的housing & shell 等零件使公母端子落在正确的互配位置,尚须确保公母端子间的接触正向力足够大,足以让电讯顺利通过接触面,若是接触正向力不足,则接触面的微观状况便是只有细微的点接触,单靠零星的细微点接触,其阻抗值可能大到几个奥姆,造成太大的电位降,使电讯接收端无法处理。通常镀金表面的硬度较低且金的导电性佳,因此接触面的正向力有20 gf 便可高枕无忧,但是设计者须有公差的观念,不可将设计的公称值定在20 gf,建议设在大约40 gf左右。因为一般I/O 连接器的插拔寿命定在数千次,这代表端子互配时必须是做弹性的变形才能在耐插拔测试结束时仍保有适当的接触正向力,在端子的选材上,C5210 比C5191 不易降伏。此外,端子的接触区镀金膜厚也必须能承受数千次的磨耗,通常,须耐5000 次插拔的docking conn. 与module conn. 在接触区镀金皆为30micro-inch min.。为了使连接器整体插入力不要太大,以免使用不顺手甚至造成端子被顶退、顶垮,必须注意端子前端的导引斜面不可太陡,一般设计在40 度角以下。

端子的保持力规格设定,因连接器经过SMT高温后会有保持力降低的情形,因此在生产在线抽测保持力时,要求的规格下限就比端子互配的插入力大了许多,例如每一根端子的互配插入力为30 gf,但是保持力定成300gf min.,就是考虑到公差的变异、使用者插拔的恶劣状况以及SMT 高温的破坏力。

端子的LLCR规格,除了考虑接触面的镀层与正向力所决定的接触阻抗,尚须考虑端子本身的导体阻抗,这就取决于端子的材料、尺寸。黄铜导电性佳但是机械特性差,只适合做公端子;磷铜导电性较差但是弹性较好,可用以制作弹性母端子;铍铜兼具弹性好、导电性佳的特性,但是材料贵、取得困难又有环保的问题。端子尺寸设计好之后,便可依截面积变化情形分割成数段,分别估算其导体阻抗后累加起来,再加上适当的接触面阻抗,便可概略估算产品的LLCR值。若是产品有长短不一的端子,则估算最长端子的阻抗即可。

另一电气特性是额定电流,这也取决于端子的材质与截面积,截面愈大则单位长度的阻抗愈小,通电流所产生的热量愈少,则端子温度上升幅度较小,也就可以传导较大的电流(额定电流的定义是:端子传递该电流时,本身温度上升幅度不超过摄氏30度)。

公母端子的wiping distance设定值不可太短,一方面是为了确保清除表面污物的效果,一方面也是为了包容自家的制造公差以及客户系统的机构公差,一般设计,最短的端子也要有1.0mm的wiping distance才保险。

长短pin的设计,有的是为了降低整体插入力而做成长短pin交错;有的则是为了让端子有配接时间差,例如:希望grounding pin先接通,所以有几支特别长的端子作为grounding pin,另外可安排几支最短pin在框口的两端作为侦测用端子,只要最短pin全部都接通了,就代表其他的讯号端子都已接通(因此侦测端子须安排在框口两端)。考虑产品的制造公差,长短pin 的尺寸差异要适当,以免在worst case 失去时间差的效果,一般0.5mm 作为差异量,若一产品有长中短三种端子,各自长度差异为0.5mm,又要确保最短pin 的wiping distance 足够,则产品的尺寸会因而变大。长短pin 的位置安排,除非客户因其他电性功能需求而须指定位置,否则应考虑厂内组装的便利性,因为不论是靠连续模直接冲出长短pin 或是经过2nd forming 得到,总是比长度ㄧ致的端子多耗工时或是电镀多耗贵金属,因此应该尽量将长或短pin 等较特殊的端子安排在同一排端子料带上(有些产品例如docking connector 是由八排端子料带安装而成,则应避免长短端子散布在八排料带上)。

有些记忆卡的连接器,因为与端子接触的是记忆卡上的金手指,有些

金手指的镀金质地较软,端子稍有不平滑,插拔三五次就可在金手指上看到明显刮痕,因此须将端子杯口coining成球面以减轻磨耗。否则即使模具设计杯口上表面为剪切面没有毛头,但是经过折弯成杯口时,该处上表面两边缘便会因为Poisson effect而向上翘,因此在公母互配时就只有这向上翘起的两条edge在公端子(或金手指)上滑动,磨耗问题仍然严重。

SMT产品的焊脚设计,在水平段最好有一个Z字形折弯以避免焊点上过大的热应力,另外,真正要吃锡的那一段tail与水平面的夹角不可太大,否则造成只有末端或是折弯点处吃锡,都不能通过SMT焊锡的检验。端子的电镀要注意避免镀锡区直接与镀金区相连,以免于SMT制程中发生溢锡(solder wicking)的不良情形。当产品pitch 很小,端子受housing 固持的部分又很短,很难靠装配方式得到可靠的固持效果与保持力,这时就应考虑insert molding(夹物模压)的方式。采取此方式在端子方面要注意两点:

(1).在塑模内的封料部分的端子宽度尺寸要控制在0.03mm(正负一条半)的变异范围内(连电镀层的厚度都要考虑进去),以免过宽遭模具压坏或是太窄出毛头。另外封料段应该是平面段,避免在折弯曲面上封料。

(2). insert molding 时,高温液态塑料流经端子表面,温度可能高于摄氏300度,会造成端子表面的锡铅熔化而随塑料向下游流动,不巧搭接到相邻端子时,变造成射出成品的short问题。所以必须避免镀锡铅区延伸到塑料覆盖区内。

弹性端子在公母配时,内部应力最大的地方在悬臂的根部,应该避免

该处附近有任何应力集中的情形,折弯半径太小所造成的裂纹是严重的应力集中处,应避免在弹性端子根部附近作半径太小的折弯,若必须折弯则建议取该材料最小R/T 比的两倍以上的折弯半径,以免发生裂纹。有些端子设计为电镀后做二次折弯再进行装配,二次折弯点应该为镀锡铅区所涵盖,因为锡铅镀层比镍镀层软而延展性较佳,比较不会因为二次折弯而产生镀层裂纹,但是也因为比较软而较容易被折弯治具弄出刮痕。

端子以压入方式与housing组合者,常在端子压到定位后,治具向后

退开时又发生端子向后退出一些的情形,因此最好不要设计成端子靠肩(治具推端子的施力点)与housing后表面切齐,以免无法压到位。通常靠肩部分是端子裸露在housing之外最宽的地方,也就是相邻pin间隔着空气距离最短的地方,要注意此处的耐电压能力。目前为止听过客户能容许的PCB孔缘间距最小为0.15mm,因此如果端子在配接框口中的pitch太小,则tail应该错开成多排以增加PCB 孔间距。

 

. Spacer

spacer主要是将端子的tail做精确的定位,以方便客户将connector插件于PCB上。若空间容许,可设计成浮动式的:客户收到货时spacer在下死点,端子tail凸出spacer底面的长度较短,则tail尖端的正位度最准,客户直接对准PCB 孔位插入,插入过程顺便将spacer向上推至定位。设计时要注意如何使spacer稳固的定位在下死点,不会脱落、也不会因为震动而自行上抬到上死点,此外,在装配在线,因为产品检验有类似插板的动作,因此也要设计成方便以简易治工具将spacer自上死点退回到下死点。另外就是考虑spacer如何容易装配到housing上,要让端子tail穿过spacer的孔,一般是将spacer孔的上缘做成很大的chamfer,若端子有很多排,则可将spacer做成阶梯状,以便在组装时分段依序对准各排端子tail而安装入housing。设计的概念是要靠spacer将端子校正,但是曾经发生歪斜的端子不但没被校正反而将spacer带歪了的情形,当时的对策是将spacer中的端子孔形状修改,让平直段的长度缩小到0.2~0.3mm,其余长度都做成上述chamfer的斜面部分,这样的形状使spacer校正端子时的接触为近似点接触(只在那一小段平直段的孔壁上接触),那么端子施给spacer的反作用力(也是point force的集合)就不容易造成spacer翻转歪斜。以docking conn. 产品的spacer 而言,阶梯状的设计,具有保护端子的功能,因为阶梯状使端子外露于塑料之外的部分缩小,作业员取放时,比较不容易捏坏端子(此为客户的使用经验),但是伴随而来的影响则是端子散热的效果较差、产品总重量较重(曾有客户抱怨我们的产品比AMP的多了6~7克)。Spacer底面的standoff 设计不可省,否则必定造成压锡膏的问题。Standoff 的高度至少要0.15mm。

 

. Shell

shell 的功能包括:机构方面有结构补强、公母座配接框口界定、连接器于PCB 的定位、分担外力等功能。电气方面有EMI遮蔽、ESD接地甚至有当作power传输的通路。以上功能除了必须确保shell与housing稳固的接合,尚须做好shell与PCB的接地导通。

Shell的构造分两种,一是以抽引方式成型,一是以折弯包覆方式成型。前者的结构刚性较佳,但是模具技术较高,材料必须选用延展性佳者,

才不会在抽引加工时破裂。例如SPCC、SPCE与黄铜都适合做抽引加工,

但是不锈钢就极难做抽引加工。冲压工程师在抽引模具开发时,初始设计依制工设计的零件R角尺寸制作冲子,但是往往在试模时因为发生材料破裂便自行将冲子的R角加大,最后是顺利抽引出铁壳,但是在法兰边与抽引段交界处的R角以及抽引段底部四周的R角可能都比设计尺寸大多,结果就是铁壳套到housing上会发生干涉而套不到底或是公母铁壳在互配时发生干涉而配不到底。因此最好在这两个地方预留较大的间隙,并且在设计审查会议中特别提出请冲压单位仔细评估确认可行性。折弯包覆式铁壳的设计,应注意接合处的平整度与结合强度,以免影响公母互配性以及耐插拔性,甚至有可能在客户SMT制程就无法平贴PCB,造成空焊或掉件。折弯包覆式铁壳比较容易做镀后冲的制造方式,也较能够在铁壳结构上多做变化,例如:框口前缘可以向外翻出导引斜面,使blind mating容许的初始偏心量较大;也可以在框口上设计一些弹片以利公母铁壳互相搭接;另外就是在cable end connector上,铁壳甚至可以与latch做成一体式。

公母铁壳互配后必须使两者做电气导通,使连接器两端的系统电路接

地电压成等电位,同时也让铁壳的EMI遮蔽效果发挥,公母铁壳间的搭接点愈密则遮蔽效果愈好。但是可能使整体插拔力增加。

至于公母铁壳各自连接到PCB的grounding layer,则可以自铁壳本身延伸出插板的焊脚或是经过其他金属零件连接到PCB,例如经过车件的rivetting nut 以及board lock连接到PCB。铁壳通常是连接器的最前线,可以比端子先一步接收外来的静电并将它疏通到接地去,发挥其ESD防护功能;或是确保公母配时铁壳最先搭接,也就使两个电路系统的GND 最先接通,以满足某些系统设计的需求。因为铁壳是最前线,最容易被使用者触及,应要求去除锋利的下料毛头,以免割伤使用者。铁壳的电气功能与铁壳材质的导电性有密切关系,因此应尽量选择导电性较好的材料,像不锈钢就不适合,因为其导电性不好。因为公母铁壳互配时必定有相互接触摩擦,因此表面镀层应选择镀镍才够硬耐磨,但是镍的焊锡性不好,最好在铁壳焊脚处选镀锡铅,若全面镀锡则容易产生磨损痕迹。

 

. Board lock

board lock的功能是确保连接器插板后能平贴PCB,并且在后续系统成品应用中分摊一些外力,有时也肩负铁壳接地的责任。通常设计时最重要的就是在插板力最小(插板力太大则客户在SMT制程中无法自动插件)的情况下有适当的抓板力,同时又能包容PCB的孔径与板厚等尺寸公差。为了共享于两种板厚尺寸的PCB,AMP有一种设计的专利,它在board lock的两支脚上各长不只一个的尖角,尖角可直接压迫PCB孔内壁以产生足够的摩擦力,防止退出,切记不可侵犯此专利。因为产品不会多次插板又拔出,因此并不需要将board lock设计成完全弹性变形,但是最好请工程分析帮忙确认设计尺寸对应的插板力与抓板力,以免不停设变。

较常见的board lock有两种,一是下料式的hook type,另一是折弯式的kink type,一般反应是hook type 尺寸较稳定,插板时也比较不容易将整个PCB孔内的锡膏推出掉落,较受客户欢迎。

Board lock若需分摊应用时的插拔力或其他外力,则其位置就相当重

要,设计原则是当外力产生时,board lock 能及早分摊大部分的外力,例如当外力作用在housing上,产生一个杠杆效应,支点可能在PCB的前缘,或是在housing 的后缘,这时就要考虑清楚,board lock 究竟该放在何处,才能分摊掉大部分的外力。当然,board lock 与housing间的结合强度要足够,否则后果就是board lock 还牢牢的留在原处,但是housing & contact 已经被外力推移到破坏。

Board lock可以是独立的五金件,也可以是从铁壳上延伸出来的结构,若是前者,则常常需要再花心思如何让铁壳与board lock导通,以便让铁壳接地,发挥隔离EMI或是疏通ESD的功能。在docking conn.的设计上,常用车制的nut穿过board lock,housing,shell然后将前缘铆开,达到组合固定以及导通桥梁的功能。Nut 前缘要铆开,局部的应变非常大,一不小心就容易发生铆裂的情形,一般采用表面镀锡处理,比较有延展性,同时配合适当的管壁肉厚以及铆合深度,应可避免铆裂的情形。此一铆合用的nut一般又有另一功能,就是提供一个内螺纹供导位用或固定用车件旋转配入,因此在装配该车件时,就有可能将扭力传到nut身上,为避免nut随之旋转,housing必须有机构特征来固定nut以防止其旋转。须确认housing结构够强,不会被nut的旋转扭力破坏,或是顶出新的standoff。

 

客户图绘制重点

1. 尽量将尺寸图、layout、规格与BOM都放在同一张图面上。

2. 产品尺寸标注,以客户应用需要知道的尺寸为主,不需要标示的就不必多此一举,以免客户拿来作为检验项目,徒增困扰。公差方面,建议斟酌厂内制造能力来标示,不要一味保护自己,标一些大得不合理的公差,以免客户比对尺寸图与layout 图,一下就发现worst case无法插板之类的问题。

3. SMT type 产品的solder pad 建议尺寸,应该考虑当tail长度做到上限时,pad仍比tail多出一个端子材厚的尺寸,才能确保客户看到端子端面理想的填锡效果,pad宽度尺寸的考虑亦然。

4. Through hole 端子建议的PCB 孔径,则大约取端子横断面对角线长度再加个0.3mm。孔与孔之间应该要有0.15mm以上的距离,方足以让trace通过,因此,端子pitch 太小则必须在tail处错成多排,以便将PCB孔距加大。

5. Board to board connector 要记得标注板到板的距离,through hole形式的产品要注明适用的板厚范围。

6. BOM 中的材质说明不必明确交代是何种铜合金或何种工程塑料,以免日后因力学问题或阻抗问题须改材料时又要更新版次。

 

连接器设计check list

1. 客户需求尺寸之满足,包括外观尺寸、stacking height(or board-to-board

distance)、wiping distance、长短pin 差异、through hole 组件的尺寸。

2. 机械与电气规格之确认,包括整体插拔力、端子正向力、LLCR、currentrating、耐电压。

3. 产品在PCB上的定位效果。

4. 产品的包装for auto pick and place。

5. 内部结构可靠度审核,零件间的组合在六个自由度上的限制是否完备可靠。

零件的装配性,导角、预装效果、干涉量、间隙预留。

公母配的stopper。

母端子的活动空间是否足够,会不会有简支梁的问题发生。

母端子前端是否安全的躲在塑料隔栏内?确认worst case 仍不会突出隔栏,以免被顶垮。如何确保成品的端子杯口高度?如何确保公端子平贴舌片?

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