连接器设计基础
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材料强度 = 750Mpa
大小端子应力值
(1) 703Mpa (2) 1111 Mpa (3) 1244 Mpa (4) 1355 MPa
2.2 最大应力设计
最大应力＜材料强度( 680-780MPa for C5210EH )。 FEM分析所得之最大应力含应力集中效应，通常 会大于nominal stress ，因此应排除应力集中效应。 高应力设计的趋势：Connector小型化的趋势，使 端子最大应力已大于材料强度，如何在临界应力下 设计端子是重要课题。 临界应力的设计应以理论应力值为基础来设计，所 考虑的因素包括：位移量，理论应力，永久变形量， 反复差拔次数。
设计要件
1. 2. 3. 4. 5.
6.
正向力设计 最大应力设计 保持力设计 接触电阻设计 金属材料选用 应力释放设计
1.1 正向力设计
镀金端子正向力：100gf或小于 100gf。 镀锡铅端子正向力必须大于 150gf。 正向力与产品的可靠性有绝对的关系。 正向力与接触电阻有密切的关系。 若PIN数大于 200 可适度降低正向力。 正向力与mating/unmating force有关。 正向力与振动测试时之瞬断(intermitance)有密切 的关系，增加正向力可改善瞬断问题。 正向力会严重影响电镀层之耐磨耗性。
LLCR ( mOhm )
0.0 0 50 100 150 200 250
Normal Force ( gf )
4.4 接触电阻设计
接触电阻包含端子材料电阻和接触点电阻两项和。 一般连接器设计使用100gf的正向力设计，接触端 电阻可设定为 6.5m-ohm，再加上端子材料电阻 即是接触电阻。 高导电率材料选用对降低接触电阻效果最显著， 增加正向力对降低接触电阻没有效果。 接触端的半径对接触电阻值没有显著影响。 高电流连接器设计之重点在降低接触电阻，降低 接触电阻的主要方法为 1.选择高导电率的端子材 料，2. 增加端子截面积。
乎设计的
原则。
根据以上的规定，可提出一简单的设计原则：70℃以下可使用 C260(黄铜)，70-105℃可使用C510,C521(磷青铜)，105℃以上则 须使用C7025, BeCu, TiCu等较贵材料。
5.2 應力釋放相關資料(1)
5.2 应力释放相关资料(1)
6.1Temperature rise
正向力(g)
位移(mm) 第一次測試 第十次測試
2.7 端子反复耐压实验
端子位移0.7mm 250
正向力(g)
200 150 100 50 0 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 Cycle數
2.8临界应力Байду номын сангаас计讨论
以理论方式计算之正向力非常接近实验值。 永久变形受FEM最大应力值影响，也就是应力集 中之影响，因此应力集中会造成永久变形。 永久变形量不会造成端子正向力降低，而是端子 弹性系数(正向力/位移量)增加。 当端子之理论应力值大过材料强度时，其反复耐 压之次数及无法达到1万次，应力愈高次数愈少， 但应力超过最大值之1.8倍时尚有2000cycles. 以上测试是在实验室环境下所测得之案例，若产 品设计高出材料强度很高时很容易产生跪针现象。
大电流连接器必须考虑温度上升效应，通常设计 在 30℃ 的范围内，简单的计算可使用以下之保守 公式：
T : degree F
J L T 2 2A
2 2
J : current (amps) L : beam length (in)
A : cross section area (in*in)
3.6 保持力设计实例
3.7 保持力线性公式
Zenite 6130L (A3) B02 B03 B22 r_F＝42 I－ 1 r_F＝27 I＋ 147 r_F＝74 I＋ 222 Sumik E6006L (B3) r_F＝29 I＋ 58 r_F＝35 I＋ 4 r_F＝43 I＋ 196 Vectra L140 (C4) r_F＝54 I－ 89 r_F＝40 I＋ 6 r_F＝77 I＋ 270 PA 46 TE250F6 (D3) r_F＝24 I＋ 349 r_F＝47 I＋ 146 r_F＝73 I＋ 646 PA 6T C430CN (E3) r_F＝44 I＋ 12 r_F＝53 I－ 60 r_F＝82 I＋ 391 PCT CG941 (F4) r_F＝40 I－ 5 r_F＝36 I－ 31 r_F＝41 I＋ 416
2.4 正向力结果之比较
500.0 450.0 400.0 350.0 300.0 250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 0 0.5 1 1.5
Normal Force(Excel;g) Normal Force(FEM:g) Normal Force(Measure;g)
: electric conductivity (%IACS) k : thermal conductivity (BTU/ft.hr.F)
6.1Temperature rise example
温升： (1) 33℃
(2) 38℃
(3) 45℃
7. 端子材料选用
7 端子材料选用
3.1 保持力设计
在连接器smt化及小型化的 趋势下，保持力的设计必 须非常精准。 保持力太大，有两项缺点：
(1)增加端子插入力，易造成 端子变形 (2)增加housing内应力，易 造成housing变形。 (1)正向力不够，造成电讯接 触质量不良， (2)端子易松脱
保持力太小，有两项缺点：
2.1端子应力设计基础
dEbh 理论正向力 F 3 4L 3dEh 6L F 2 2 2L bh
d :位移量 (mm) :最大应力(Mpa) *Forming and blanking端子设计差 异及重点 F : N(98gf)
3
理论最 大应力
E :弹性系数 (110Gpa)
2.1 端子应力设计实例
4.3接触点电阻
50.0
T:0.15 R:0.30 Au: 1 Sample 1
40.0
Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5
300 RC (m) 3.5 F ( gf )
30.0
20.0
10.0
正向力在 50-150gf之间接 触点电阻值在4-8m-ohm。 正向力小于50gf,接触电阻 则快速增加。
1.2 正向力与接触电阻关系
50.0
T:0.15 R:0.30 Au: 1 Sample 1
40.0
Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5
LLCR ( mOhm )
30.0
20.0
10.0
0.0 0 50 100 150 200 250
Normal Force ( gf )
RB (m)
17.24 103
L A
A :端子截面积(mm2) :导电率(%)
磷青铜(C5191, 5210)的导电率约为13%，黄铜 (C2600)导电率约26%，BeCu and C7025则可达 到40%，因此选择端子材料是降低接触电阻最有效 的方法，可降为原来的1/2-1/3。 端子长度及截面积受电子连接器外型及pitch而决 定，可变更的范围受到限制。
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 1.6 1.8 2
理論應力 / 材料強度
2.6 永久变形和正向力之关系
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 0.8 0.9
r_F :保持力 (gf) I :干涉量 (10mm)
4.0 Contact resistance
CR Rbulk
1 1 1 ... Rc R f
4.1 接触电阻设计
电子连接器接触电阻设计包括两部分：
1. 2.
端子材料电阻 接触端电阻
4.2材料电阻计算
L :端子导电长度(mm)
4.5 接触电阻案例
1.
请计算接触电阻
1. 2. 3. 4.
23.2 25.5 29.8 33.3
5.1 应力释放设计
应力释放：当材料在受应力及温度环境下，长时间所造成的正向力 下降的现象，称为应力释放，通常以原受力的百分比表示。 温度越高，受力时间越长，应力释放的越大 一般规定应力释放在 3000hr以上仍然能维持70%以上的力量才合
2.3 临界应力设计实例
2.3 临界应力设计实例
位移(mm) 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 最大应力 (Mpa) 理论值 FEM 理论值/ 材料强度 297 525 0.4 445 787 0.6 594 1050 0.8 742 1312 1.0 891 1575 1.2 1040 1838 1.4 1188 2100 1.6 1337 2363 1.8 1485 2625 2.0 永久变 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
3.3保持力实验设计
3.4卡榫的设计变数
卡榫的设计变量包括：
单边与双边 单凸点与双凸点 凸点平面宽度(4,8mm) 凸点插入角度(30, 60) 前后凸点高度差(0.02, 0.04mm)
3.5 保持力设计准则
1.
2.
3.
塑料材料的保持力差异性很大，同一种卡榫及 干涉量的设计，不同的塑料，保持力会有500gf 以上的差别。 一般而言：nylon的保持力大于LCP，PCT则介 于两者之间，但同样是LCP，不同厂牌间的差 异性非常大，有将近400gf的差异。 干涉量的设计最好介于40 mm-100mm 之间，因 为干涉量小于40 mm ，保持力不稳定，大于 100mm，保持力不会增加，干涉量介于两者之 间，保持力呈现性的方式增加，增加的量随材 料及卡榫设计的差异约在30-120 (gf/10mm)。
3.5 保持力设计准则
4.
5. 6.
7. 8. 9.
凸点平面长度和保持力有很大的关系，长度越 长，保持力越大。 单边卡榫较双边的保持力大。 ， 双凸点较单凸点的保持力大，但不明显，可以 忽略。 凸点前的导角角度与保持力无关。 较薄的板片保持力也相对的较低 总结而论：由(4,5,8)项结论可知，端子和塑料 接触面积越大，保持力保持力越大，而且其效 非常明显。
3.2 保持力设计参数
保持力设计参数包括：塑料选用，端子卡 榫设计，干涉量设计。 smt type connectors必须使用耐高温的塑 料材料，常用的包括：LCP，Nylon，PCT， PPS等。 端子卡榫设计大致分为单边及双边两类， 每一边又可以单层及双层或三层。 干涉量通常设计在40mm-130mm之间
大小端子应力值
(1) 703Mpa (2) 1111 Mpa (3) 1244 Mpa (4) 1355 MPa
2.2 最大应力设计
最大应力＜材料强度( 680-780MPa for C5210EH )。 FEM分析所得之最大应力含应力集中效应，通常 会大于nominal stress ，因此应排除应力集中效应。 高应力设计的趋势：Connector小型化的趋势，使 端子最大应力已大于材料强度，如何在临界应力下 设计端子是重要课题。 临界应力的设计应以理论应力值为基础来设计，所 考虑的因素包括：位移量，理论应力，永久变形量， 反复差拔次数。
设计要件
1. 2. 3. 4. 5.
6.
正向力设计 最大应力设计 保持力设计 接触电阻设计 金属材料选用 应力释放设计
1.1 正向力设计
镀金端子正向力：100gf或小于 100gf。 镀锡铅端子正向力必须大于 150gf。 正向力与产品的可靠性有绝对的关系。 正向力与接触电阻有密切的关系。 若PIN数大于 200 可适度降低正向力。 正向力与mating/unmating force有关。 正向力与振动测试时之瞬断(intermitance)有密切 的关系，增加正向力可改善瞬断问题。 正向力会严重影响电镀层之耐磨耗性。
LLCR ( mOhm )
0.0 0 50 100 150 200 250
Normal Force ( gf )
4.4 接触电阻设计
接触电阻包含端子材料电阻和接触点电阻两项和。 一般连接器设计使用100gf的正向力设计，接触端 电阻可设定为 6.5m-ohm，再加上端子材料电阻 即是接触电阻。 高导电率材料选用对降低接触电阻效果最显著， 增加正向力对降低接触电阻没有效果。 接触端的半径对接触电阻值没有显著影响。 高电流连接器设计之重点在降低接触电阻，降低 接触电阻的主要方法为 1.选择高导电率的端子材 料，2. 增加端子截面积。
乎设计的
原则。
根据以上的规定，可提出一简单的设计原则：70℃以下可使用 C260(黄铜)，70-105℃可使用C510,C521(磷青铜)，105℃以上则 须使用C7025, BeCu, TiCu等较贵材料。
5.2 應力釋放相關資料(1)
5.2 应力释放相关资料(1)
6.1Temperature rise
正向力(g)
位移(mm) 第一次測試 第十次測試
2.7 端子反复耐压实验
端子位移0.7mm 250
正向力(g)
200 150 100 50 0 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 9001 Cycle數
2.8临界应力Байду номын сангаас计讨论
以理论方式计算之正向力非常接近实验值。 永久变形受FEM最大应力值影响，也就是应力集 中之影响，因此应力集中会造成永久变形。 永久变形量不会造成端子正向力降低，而是端子 弹性系数(正向力/位移量)增加。 当端子之理论应力值大过材料强度时，其反复耐 压之次数及无法达到1万次，应力愈高次数愈少， 但应力超过最大值之1.8倍时尚有2000cycles. 以上测试是在实验室环境下所测得之案例，若产 品设计高出材料强度很高时很容易产生跪针现象。
大电流连接器必须考虑温度上升效应，通常设计 在 30℃ 的范围内，简单的计算可使用以下之保守 公式：
T : degree F
J L T 2 2A
2 2
J : current (amps) L : beam length (in)
A : cross section area (in*in)
3.6 保持力设计实例
3.7 保持力线性公式
Zenite 6130L (A3) B02 B03 B22 r_F＝42 I－ 1 r_F＝27 I＋ 147 r_F＝74 I＋ 222 Sumik E6006L (B3) r_F＝29 I＋ 58 r_F＝35 I＋ 4 r_F＝43 I＋ 196 Vectra L140 (C4) r_F＝54 I－ 89 r_F＝40 I＋ 6 r_F＝77 I＋ 270 PA 46 TE250F6 (D3) r_F＝24 I＋ 349 r_F＝47 I＋ 146 r_F＝73 I＋ 646 PA 6T C430CN (E3) r_F＝44 I＋ 12 r_F＝53 I－ 60 r_F＝82 I＋ 391 PCT CG941 (F4) r_F＝40 I－ 5 r_F＝36 I－ 31 r_F＝41 I＋ 416
2.4 正向力结果之比较
500.0 450.0 400.0 350.0 300.0 250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 0 0.5 1 1.5
Normal Force(Excel;g) Normal Force(FEM:g) Normal Force(Measure;g)
: electric conductivity (%IACS) k : thermal conductivity (BTU/ft.hr.F)
6.1Temperature rise example
温升： (1) 33℃
(2) 38℃
(3) 45℃
7. 端子材料选用
7 端子材料选用
3.1 保持力设计
在连接器smt化及小型化的 趋势下，保持力的设计必 须非常精准。 保持力太大，有两项缺点：
(1)增加端子插入力，易造成 端子变形 (2)增加housing内应力，易 造成housing变形。 (1)正向力不够，造成电讯接 触质量不良， (2)端子易松脱
保持力太小，有两项缺点：
2.1端子应力设计基础
dEbh 理论正向力 F 3 4L 3dEh 6L F 2 2 2L bh
d :位移量 (mm) :最大应力(Mpa) *Forming and blanking端子设计差 异及重点 F : N(98gf)
3
理论最 大应力
E :弹性系数 (110Gpa)
2.1 端子应力设计实例
4.3接触点电阻
50.0
T:0.15 R:0.30 Au: 1 Sample 1
40.0
Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5
300 RC (m) 3.5 F ( gf )
30.0
20.0
10.0
正向力在 50-150gf之间接 触点电阻值在4-8m-ohm。 正向力小于50gf,接触电阻 则快速增加。
1.2 正向力与接触电阻关系
50.0
T:0.15 R:0.30 Au: 1 Sample 1
40.0
Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5
LLCR ( mOhm )
30.0
20.0
10.0
0.0 0 50 100 150 200 250
Normal Force ( gf )
RB (m)
17.24 103
L A
A :端子截面积(mm2) :导电率(%)
磷青铜(C5191, 5210)的导电率约为13%，黄铜 (C2600)导电率约26%，BeCu and C7025则可达 到40%，因此选择端子材料是降低接触电阻最有效 的方法，可降为原来的1/2-1/3。 端子长度及截面积受电子连接器外型及pitch而决 定，可变更的范围受到限制。
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 1.6 1.8 2
理論應力 / 材料強度
2.6 永久变形和正向力之关系
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 0.8 0.9
r_F :保持力 (gf) I :干涉量 (10mm)
4.0 Contact resistance
CR Rbulk
1 1 1 ... Rc R f
4.1 接触电阻设计
电子连接器接触电阻设计包括两部分：
1. 2.
端子材料电阻 接触端电阻
4.2材料电阻计算
L :端子导电长度(mm)
4.5 接触电阻案例
1.
请计算接触电阻
1. 2. 3. 4.
23.2 25.5 29.8 33.3
5.1 应力释放设计
应力释放：当材料在受应力及温度环境下，长时间所造成的正向力 下降的现象，称为应力释放，通常以原受力的百分比表示。 温度越高，受力时间越长，应力释放的越大 一般规定应力释放在 3000hr以上仍然能维持70%以上的力量才合
2.3 临界应力设计实例
2.3 临界应力设计实例
位移(mm) 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 最大应力 (Mpa) 理论值 FEM 理论值/ 材料强度 297 525 0.4 445 787 0.6 594 1050 0.8 742 1312 1.0 891 1575 1.2 1040 1838 1.4 1188 2100 1.6 1337 2363 1.8 1485 2625 2.0 永久变 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
3.3保持力实验设计
3.4卡榫的设计变数
卡榫的设计变量包括：
单边与双边 单凸点与双凸点 凸点平面宽度(4,8mm) 凸点插入角度(30, 60) 前后凸点高度差(0.02, 0.04mm)
3.5 保持力设计准则
1.
2.
3.
塑料材料的保持力差异性很大，同一种卡榫及 干涉量的设计，不同的塑料，保持力会有500gf 以上的差别。 一般而言：nylon的保持力大于LCP，PCT则介 于两者之间，但同样是LCP，不同厂牌间的差 异性非常大，有将近400gf的差异。 干涉量的设计最好介于40 mm-100mm 之间，因 为干涉量小于40 mm ，保持力不稳定，大于 100mm，保持力不会增加，干涉量介于两者之 间，保持力呈现性的方式增加，增加的量随材 料及卡榫设计的差异约在30-120 (gf/10mm)。
3.5 保持力设计准则
4.
5. 6.
7. 8. 9.
凸点平面长度和保持力有很大的关系，长度越 长，保持力越大。 单边卡榫较双边的保持力大。 ， 双凸点较单凸点的保持力大，但不明显，可以 忽略。 凸点前的导角角度与保持力无关。 较薄的板片保持力也相对的较低 总结而论：由(4,5,8)项结论可知，端子和塑料 接触面积越大，保持力保持力越大，而且其效 非常明显。
3.2 保持力设计参数
保持力设计参数包括：塑料选用，端子卡 榫设计，干涉量设计。 smt type connectors必须使用耐高温的塑 料材料，常用的包括：LCP，Nylon，PCT， PPS等。 端子卡榫设计大致分为单边及双边两类， 每一边又可以单层及双层或三层。 干涉量通常设计在40mm-130mm之间