接触件设计功能与可靠性

S
Stress
應力計算
Secant 係數
Variable modulus
Secant modulus
Stress
SHale Waihona Puke Baidu
S
應力計算
Secant 係數的正確性
(經由計算的力的誤差) No error
<5% error
10-20% error
Invalid design & possible failure
高電阻* 腐蝕* 工廠中損壞 使用中損壞 磨耗與磨蝕* 未知原因*






Termination(Crimp)



* 接觸電阻有關的失效
接點設計
接觸點的性能決定於 低的, 穩定的接觸阻抗 低的接觸阻抗決定於 接觸力 - Holm‟s Theory
.
接點設計
接點(Contact)是一個導電性彈片
可分離的界面結合 產生正向力 提供電流通道
接點被設計成擁有低的和穩定的電阻,而經由接點訊號變 異也必需可被接受 接點擁有結構與功能上的特性
接點設計
結構
機械性
彈性合金
實際的接觸力
功能
電性 界面材料 (電鍍, 嵌鑲) 需要的接觸力
失效的連接器
汽車上的電性失效
常規性元件 感測器 電線牽引 控制器
(接點, 插座, 固定座)
68% 的失效是由連接器造成的
VW Germany „02
失效的連接器
2003年共生產出660億的連接器.
以99.99%的可靠度來說(100 ppm 不良品), 有7百萬個會在使用中失效. 大多數的失效都是可預期和可避免的.
失效的連接器
測試 >2 g/m3
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
鈹
銅
鈹銅只有在空氣中形成粉塵 (<10 m)時是有害的. 儲存, 材料處理 或加工的鈹銅零件並沒有問題. 黃銅,青銅,鋁,不銹鋼有同樣的危害. 沖壓, 熱處理, 電阻式焊接, 清洗和電鍍操作是安全的. 鈹銅廢料是可回收的. 鈹銅在世界各地並沒有被禁用. Brush Wellman公司可對環保議題提供需要的資訊和支援
Nickel* Bare copper alloys*
.2 - .5 .5 - 1 1 1.5 / 5
3.5 5
N-min. N-min. N-min. N-min./max.
Slade, Mroczkowski, Timsit
N-min. N-min.
*controlled conditions only
接點設計
高接觸力
磨耗, 鍍層受傷 高的插入力 不恆定的作用力 可能的元件扭曲 永久變形 加速應力鬆弛 疲勞斷裂 (很多撓曲週期後)
接點設計
接觸性能決定於 低的, 穩定的接觸電阻 低的接觸電阻決定於
接觸力
接觸力決定於
設計 材料特性
接點設計
Cantilever Beam Arch Beam Torsion Beam Coil Spring
線性通常是OK的
使用近似法
請小心!
此數據與合金的特性有關
應力計算
在橫桿中的應力
0 Smax
C
-Smax
應力計算
線性 vs.非線性模型
線性
Smax < 降伏強度
接觸力正比於橫桿撓曲的位移
非線性
沒有永久變形 橫桿等式 簡單材料常數 Smax > 降伏強度 變形 - 局部降伏 金屬內的加工硬化 近似法 複雜的材料特性
接點設計
Holm‟s Theory - 接觸阻抗
Stable Operation
接觸力
接點設計
Holm‟s Theory - 接觸阻抗
Film Resistance Effect
(Rf = f t H ) F
Constriction Resistance Effect
(Rc = c [ H ]½ ) 4F b L Bulk Resistance (Rb = A )
F
S
接點設計
Wb t
Lb
Lf
3 E. t . d
Wf
F 4. Lf
3.
1 Wf
1 . Wb
Lb Lf
3
Lb Lf
2
Lb Lf
Sf
6. F. Lf
2 W f. t
Sb
6. F. ( Lf
2 W b. t
Lb )
接點設計
L
t R
F
3 3 . d. E. R . t . 3 L
1
3. t 2. R
鈹銅加工
製程
沖壓 模具保養 翻滾去邊 熱處理 電阻式焊接 化學清洗 電鍍 組裝 檢驗 出貨包裝 廢水處理 背景
測試次數 測試結果
(g/m3 of Be) 49 27 4 9 8 14 21 14 17 17 9 <.0048-.017 <.0045-.020 .025 - .084 <.074 <.005 <.0044-.042 .026 - .18 <.0048-.12 <.019 <.0057 <.0038 -.096 <.001 - .01
接點設計
W t L Wo
F
3 4. L . 1.5. ( 1
3 E. t . W . d
N ∞ Q)
2 3. Q .
Q (1 Q) n
n 3
Wo W
n= 3 S 6. F. L
2 t .W
接點設計
L W=width t
3 E. W . d. t

R
F 12. R
3.
1. L 3 R
3
L R
2
.
L . 2. (1 R
cos( ) )
2
sin( 2. ) 4
S
6. F. ( L
2 t .W
R)
接點設計
t L R W=width
3 E. b. d. t
m
F 12. R
3. 3 3 2
1. L 3 R
1. m 3 R
L R
. m R

L . 4 R
m R
2
2
S
(m < L)
6. F. ( L t W
國際性法規
EICTA-EIA-JGPSSI Material Composition Declaration Guide “Joint Industry Guide”
OEM 委託 - ‘自發性的’ 有效性 :2005 (試驗性的) 限制使用 : RoHS + 石棉,與有放射能的材料, ODS EEE中需要公佈超過門檻限制的物質成份 需報告金屬組成的門檻是 0.1% (1000 ppm)
(Ag, As, Au, Be, Bi, Cu, Mg, Ni, Pd, Sb, Se, Sn)
沒 有 禁 止 使 用 鈹 銅 合 金
鈹銅加工
四個連接器的製造者,在一般的鈹銅製程中由空氣檢驗的結果來測量鈹 的暴露 .
並將 189 次的生產中測量 – 測試結果與OSHA 許可的暴露濃度2 g/m3 來做比較.
接點設計
需要的接觸力
Example:典型表面上的硬金
H 2 + t H F = 4 R2 Rf c
Au film
Rc = 1 m, F =.34 +.05 N = .39 N = 40 grams (stability)
Rc = 3 m, F =.04 +.05 N = .09 N = 10 grams (minimum)
接點設計
彈性率 (剛性) 取決於設計
Arch Cantilever
Torsion
Helical coil
Deflection
接點設計
Cantilever beam
簡單, 允許單片設計
Arch beam
比cantilever beam較為剛性, 較大的彈性率
Torsion beam
插入時有較低的摩擦力, 但正向力低
價格高 Palladium Alloys 磨擦性聚合物 – 需要刷鍍 Au 焊錫性的限制 Silver 生成污點 磨耗 Tin 100° C max. 中間金屬相的形成 高磨擦力 需要滑擦來去除表面氧化物 磨耗, 磨蝕
接點設計
低接觸力
高的接觸阻抗 訊號扭曲 不穩定性 - 中斷, 電弧 磨蝕 (鍍錫) 需要表面滑擦 需要多重接觸 低的退出力 界面腐蝕穿透 溫度升高 (功率)
接點設計
4
3 2
Gold Contact
1
.2 .4 .6 .8
接觸力 (N)
接點設計
結論:
Holm theory 是正確的
接觸力對於接觸性能和可靠度是很重要的 任何電鍍材料可以決定出需要的接觸力
接點設計
Sn Au Ag
接觸力
接點設計
建議的接觸力
Gold (.5 - 1 m) Palladium alloys Silver Tin, Tin-Lead
Strain
應力計算
Secant 係數
S3 S2
Slope = secant modulus
Strain
應力計算
Secant 係數
Young‟s Modulus
Secant modulus
Stress
YS S2 S3
應力計算
Secant 係數
Variable modulus
Secant modulus
2
應力計算
Secant 係數
slope = C
Variable modulus Geometric modulus Dimensional modulus
Stress
應力計算
Secant 係數
YS
Modulus = stress / strain
Slope = Young‟s (Elastic) Modulus
Frank Dunlevey John Tien
Taiwan – 13 August 2004
歐洲法規
RoHS (2002/95/EC) Restriction of Hazardous Substances ELV (2000/53/EC) End of Life Vehicles WEEE (2002/96/EC) Waste Electrical & Electronic Equipment
Coil spring
低應力, 但彈性率低, 可做成巢狀
接點設計
L W d t
F
3 d. W . E. t
4. L
6. L. F
2 W. t
3
= 接觸的正向力 (Load)
S
= 接觸彈片的最大應力 (Stress at surface)
接點設計
R L
4 3. . d. E. R 3 4. L 4. L. F 3 . R
接點設計
電鍍 - 優點
Gold 最高的抗腐蝕性 低磨擦力, 最小滑擦
低的接觸力 Palladium Alloys 非常好的抗腐蝕性 高硬度 – 耐用性 Silver 低接觸電阻 200° C max. Tin 低價 焊接性, 可捲曲性 長期穩定性
接點設計
電鍍層 - 缺點
Gold 孔蝕 – 需要 Ni 阻層 125° C max.
適用於2006年 7月 1日 後販賣於歐洲的產品 促進與鼓勵 component recovery 容易的產品的設計 鼓勵撤除和回收廢棄不用的設備 需要全面性的公佈產品組成 (所有金屬及塑膠) 限制/禁止使用 :Hg, Cd, Pb, Cr(VI), PCB, PCT, PBB, PBDE
沒 有 禁 止 使 用 鈹 銅 合 金
2.
R)
(at bend)
S
(m > L)
6. F. ( m t W
2.
L)
(at beam end)
應力計算
計算的接觸力的正確性取決於橫桿中的應力大小等級
當應力超過了降伏強度, 線性等式會變得不正確
可使用非線性近似法 可使用FEA
應力計算
If Smax < 1.2 YS If Smax 1.3 YS If Smax > 1.5 YS
接觸力
Holm
接點設計
需要的接觸力
Example: 典型表面上的硬金
H 2 + t H F = 4 R2 Rf c
Au film
Rc < 1 m (for stability)*
Rc = 3 m (maximum allowed)**
* Peel
** Whitley & Malucci
t R
2
3 t 3 4. R
.
sin( ) . cos( )
2 . sin( )
2
2 2 t . sin( ) 2 3. R . . 2 t R

. 1
t R
2 t 2 6. R
S
3 . d. E. R . 2 L
1
2 . sin( ) . 1 3.
t R 2
1 t R
應力計算
Secant 係數
最大橫桿應力超過材料的降伏強度時 Secant Modulus Technique 允許你估計接觸力和應力
(非線性模式)
應力計算
Secant 係數
L W
3 d. W . E. t 3 4. L 6. L. F
t
F
d
S
S S
W. t 3. d. t. E
2 2. L C. E (for any beam geometry)
Contact Design 接點設計-功能與可靠性
Performance and Reliability
Frank Dunlevey John Tien
Taiwan – 13 August 2004
Contact Design 接點設計-功能與可靠性
Performance and Reliability