连接器可靠性设计与验证

連接器可靠性設計及驗証

EDA INT'L LTD 劉衛平

2003.4.28

一 .產品設計流程

1. 產品設計一般情況下有以下流程: 產業趨向或客戶需求 規格承認 2. 產業趨向或客戶需求 指產業標准或客戶標准 3. 必要條件

由產業標准或客戶標准制訂的技術參數. 4. 設計及分析

對照必要條件設計產品結构,運用材料分析工具,測試工具計算和測試設計能否滿足必要條件. 5. 設計原型及确認

設計模型的建立及審查确認,樣品的制作及測試确認. 6. 規格承認

依客戶需求條件測試產品性能制作＂規格承認書＂送客戶承認. 7. 生產標准化

批量生產前制訂的作業標准,如SOP,SIP,BOM

二 . 連接器設計中的常用參數

1. 低電壓電阻(Low level circuit resistance)

供應電壓電流不會改變物理接触面的大小和接触面的氧化物及薄膜的情況下,評估接触系統 的接触電阻持性, 測試最大電流為100mA, 最大開路電壓為20mV. 2. 絕緣電阻(Insulation resistance)

當直流電位供應于相鄰的接触點或供應于接触點最接近的金屬之間時,檢測絕緣物質的電阻.

3. 耐電壓(Dielectric withstanding voltage)

當系統電壓突然增加或因為切換, 產生瞬時超額電位時連接器能保持安全無損時能承受的 電壓.

4. 正向力(Normal force)

接触系統在正常使用的情況下, 接触點承受的与接触面垂直的壓力. 5. 耐久性(Durability)

因接触面在插拔時會有磨損,該磨損會降低連接器的机械和電气性能,在設定的環境下,連接 器插拔一次為一個循環﹐以連接器能承受的最小插拔循環次數來評估連接器的耐久性. 6. 插拔力(Insertion force and extraction force) 連接器在正常使用時的插入力和拔出力. 7. 振動(Vibration)

評估當机械力作用而引起的在接触面上的微小變動,對于接触系統的電气特性定度之影響. 8. 机械沖擊(Mechanical shock)

檢測連接器的机械和電气上的完整性,當連接器裝置作用于電子設備時可能會在處理,運輸等 情況下受到的震動. 9. 冷熱沖擊(Thermal shock)

檢測當連接器暴露于极高溫和低溫時的電阻檢測當連接器暴露于极高溫和低溫時的電阻,或貯存,運輸,使用時最糟情況下的沖擊.或貯存運輸使用時最糟情況下的沖擊 10. 溫度壽命(Temperature Life)

當暴露于一個因為溫度改變而使得机械性質失效的高溫環境中,評估這种環境對于電气穩定 性的沖擊. 高溫會導致接触而的氧化及降低端子正向力, 使得電气性能降低. 11. 溫濕循環(Thermal cycling with humidity)

當暴露于會產生高溫/潮濕而使得机械性質失效的環境中評估這种環境對接触系統電气穩定 性造成的影響.

這些影響有濕气加速接触面氧化,接触面間的微小粒子的氧化,底層金屬的氧化.氧化被膜將 降低連接器的電性能.

三 . 底電壓 電阻參數設計

1. 接触電阻的計算

端子接触面因污染或被氧化形成被膜電阻,接触面的凹凸不平形成集中電阻,接触電阻為被 膜電阻与集中電阻之和: R=Rc+Rf 3.1

R=接触電阻 Rc=集中電阻 Rf=被膜電阻 a. 集中電阻的計算: Rc=

P1+P2 4r

3.2

P1.P2=接触金屬固有抵抗, r=接触面半徑 b. 被膜電阻的計算 Rf=

Pf.d π. 3.3

Pf=被模電阻抵抗率 d=被膜厚度 r=接触面之半徑

表3.1被膜抵抗率 被膜厚度(A)

51520100

2. 接触電阻与正壓力的關系

隨著端子接触時正壓力的增大, 接触電阻會下降, 如下圖所示:

圖3.1

接触電阻

(mΩ)

被膜抵抗率(Ωcm 2 ) 10-8 10-7

2*10-7~10-6 10-3~10-2

集中電阻和被膜電阻

体積電阻

F1

電阻不穩定

電阻穩定

正壓力(N)

接触電阻在F1點達到最小值, 當正壓力大于F1時接触電阻穩定不變, 此時的電阻由接触系統 的体積電阻決定.

當正壓力小于F1時接触電阻不穩定, 隨著壓力的增加而下降, 其原因是壓力的增大使接触而發 生變形, 接触面半徑減小, 同時被膜厚度也減小, 由公式:

Rc=

Rf=

P1+P24r P f.d πr

知d 的減小和r 的增大會減小Rc 和Rf

表3.2是EDA 7T端子正壓力与電阻關系 表3.2正壓力(克) 電阻(毫歐) 圖3.2

接触電阻与正壓力

45403530電阻(毫歐) [1**********]

20

40

60

正壓力(克)

80

100

120

140

541

1025

1718.2

2815.4

4013

5112.8

6212.4

7611.4

8510.5

9410.2

1079.5

1169.5

7T端子相關數据如下; t=0.30 w=1.00 t=7.50

材質=磷銅C5191R-H 3. 端子的額定電流

端子中有電流通過時會使端子的溫度上升, 使整個連接系統發熱, 為避免系統過熱, 須規定連接 器的最大電流, 這個數值為額定電流.

額定電流与端子的材質和几何形狀, 端子的正壓力有關, 端子用導電率高的金屬, 增加端子的模 截面積, 增加端子的正壓力, 增加端子接触面積, 能增加連接器的額定電流. 4. 端子橫截面的選擇

一定電流通過導体時產生的熱量如下: Q=I2Rt 3.4

Q=導体產生的熱量 I=導体通過的電流 R=導体的電阻 t=通電時間

導体的電阻用以下公式計算: R=ρ*L/S 3.5 R=導体的電阻 ρ=導体的電阻率 S=導体的截面積 L=導体的長度

四 .絕緣電阻

1. 絕緣介質的体積電阻率

物体內的自由電子在電壓的作用下產生的移動形成電流, 導体內存在大量的自由電子所以電阻 很小, 相反, 絕緣介質內自由電子很少, 電阻很大. 絕緣介質的絕緣性能用体積電阻率表示, 表4.141為 常用工程塑料的体積電阻率. 通常表面電阻率比体積電阻率小1個數量級. 表4.1

名稱

体積電阻率(Ω/mm)

PBT /1016

30%1016

/

PA6

30%1015

/

1015

MPPO

30%1017

/1016

1016

PC 30%1016

/

POM

30%1014

/1017

1014

LCP 30%1017

2.絕緣電阻的計算: R=P*T R=絕緣電阻(Ω) P=体積電阻率(Ω/cm) T=材料厚度(cm) 3.計算實例:

某連接器端子的最小距离為0.20mm, 所用塑膠為LCP 求絕緣電阻: R=PT=1017*0.02=2*1015(Ω)=2*109M Ω

通常連接器的絕緣電阻要求R>103M Ω,2*109>103. 該設計滿足要求.

五 .耐電壓參數

1.連接器在電壓突然增加時, 保持無損坏能承受的最低電壓稱為耐電壓.

例如某連接器耐電壓要求是在相鄰近的兩端子間加上500VAC 電壓通電1分鐘. 絕緣材料對電壓的承受能力用緣強程度來表示. 單位KV/mm. 常用塑膠的絕緣強度如下表4.2 表5.1

名稱

絕緣強度(kv/mm)

PBT /17

30%25

/20

PA6

30%19

/

MPPO

30%22

/16

16

PC 30%24

/

POM

30%23

/29

20

LCP 30%29

2.耐電壓的計算: V=K*T V=耐電壓值(kv) K=絕緣強度(kv/mm) T=材料厚度(mm)

3.計算實例: 絕緣材料為PBT+30%GF,相鄰端子部的最小距离為0.15, 求耐電壓值: V=25*0.15=3.75kv)=3750(V) 4.耐電壓与塑膠吸水率

塑膠在吸水后耐電壓大幅度降低, 常用工程塑膠吸水率如表5.2單位吸水率(%)

PBT PA60.08

1.8

MPPO PC 0.07

0.24

POM 0.22

PA 絕緣強度与含水率比較

絕 緣 強 度 (kv)mm)

10

0246810(%)

當PA 吸水率達到8%時, 絕緣強度由35kv/mm變化為10kv/mm.

六 . 正向力

端子在接触點上受到与接触面垂直的壓力稱為正向力. 1. 端子正壓力的計算

端子正壓力在連接器設計中是個非常重要的參數, 計算公式如下:

P=dEWt 36.1

4L

3

P=正壓力 d =端子偏移距离 E=彈性系數 W=端子寬度 t =端子厚度 L=端子力臂長度

端子最大的正壓力可用以下公式計算:

σminWt

2

Pmax=

6L

6.2

Pmax=端子最大正壓力 σmin=端子的彈性极限 W=端子寬度 L=端子力臂長度 表3.3端子常用銅材物性表

品名

黃銅

磷青銅

特性

C2600R-L C2600R-H C2680R-L C2680R-H C5191R-H C5210R-L C5210-H

物比量(g/m3) 8.538.538.478.478.838.838.88.8理特min(%IACS)[**************]2性彈性系數min(kg/mm2) [***********][***********]2000抗拉強度机kg/mm242~5050~5542~5050~5760~7065~7548~5560~72械伸長率min(%)性8

6

10

8

8

5

30

20

質硬度HV 105~155155~175105~155155~175170~200185~210140~170175~210min(kg/mm2) [**************]6化耐腐蝕性好好好好好好好好學性電鍍附著性很好很好很好很好很好很好很好很好質

濡濕性

好

好

好

好

好

好

好

好

6.計算實例: 端子設計值如下: W=0.60mm T=0.30mm L=4.80mm

材料為磷青銅C5191R-H E=11000kg/mm2 σmin=45

由公式62計算最大正壓力

6minWt 2

6l

45*0.6*0.32

6*4.8

Pmax=

=0.084kg

Pmax代入公式6.1計算端子最大偏移量.

d=

4PL 3EWT

3

4*0.084*4.8311000*0.60*0.311000*060*03

3

=0.21(mm)0()

七 . 耐久性

連接器在正常使用時會有插入和拔出的過程, 接触系統會有磨損, 其中包括端子接触面的磨損, 塑膠接触面的磨損和外殼接触面的磨損, 這些磨損會降低連接器的机械性能和電气性能. 在設定的環境下, 連接器插拔一次為一個循環, 以連接器能承受最小插拔循環次數來評估連接 器的耐久性.

1. 端子電鍍對耐久性的影響

端子電鍍能大大提高連接器的耐久性, 表7.1是端子電鍍金与未鍍端子性能比較: 表7.1端子鍍金与未鍍端子性能比較

耐久性電流

端子鍍金

100次以上0~1A

端子未鍍0~10次0~1A

表7.2是USB10000次壽命測試中端子電鍍層的改變和接触電阻電阻的變化.

表7.2壽命測試端子電鍍層的減小和接触電阻的增大

壽命測試10000次后壽命測試前PIN 數123456

電鍍厚度接触阻制訂(Ω) Au 電鍍厚度(u")接触阻制訂(Ω)

31.23231.532.131.831.6

30.932.134.131.836.334.5

1720.421.321.921.420.8

33.235.836.135.636.836

2. 塑膠材料的選擇

選擇摩擦系數小的塑膠和玻璃纖維增強型塑膠能提高連接器的耐久性, 几种塑膠的摩擦系數

如下表﹕ 表7.3塑膠摩擦系數u

POM 0.21

PA660.26

PA60.26

PC 0.38

3. 正壓力与耐久性

一定正壓力是連接系統接触良好的前提, 但并非正壓力越大越好. 第一是因為當正壓力達到 50~100克力后, 系統的接触電阻趨于穩定. 不再減小, 二是因為過大的正壓力將加重端子接触面 的摩損, 減小連接器的耐久性.

一般情況下正壓力設計為100克力左右. 4. 摩擦力与耐久性 摩擦力計算公式如下: F=u.N F=摩擦力(g) u=摩擦系數 N=正壓力(g)

摩擦力的存在會使連接器接触部分摩損﹐減小摩擦系數和降低正壓力能減小摩擦力, 從而提高 連接器的耐久性.

八 .插拔力

連接器正常使用時的插入力和拔出力稱為插拔力. 影響插拔力的因素有正壓力﹐摩擦系 數﹐端子的构造﹐塑膠的构造等。 1. 插入力的計算﹕

連接器公母對插時的插拔力如下圖示﹕ 圖8.1插入力和拔出力

滑動摩擦加正壓力分力滑動摩擦

X 插入

拔出

A PIN

位移

由上圖可見﹐插入力在A 點達到最大值﹐端子的位移量未到A 點時的插入力由兩部分組成﹐ 一部分是滑動摩擦力﹐另一部分是正壓力的徑向分力。 F=F1+F2 8.1 F=插入力

F1=摩擦力

F2=正壓力徑向分力

F1=μN μ為摩擦系數﹐N 為正壓力 8.2 F2=N sinθ θ為插入角﹐N 為正壓力 8.3 F2=Nsinθ 8.3 圖8.2端子的插入角

F2

θ

當位移量超過A 點后 F2=0. F=F1 2. 拔出力的計算 F=μN

F=拔出力﹐μ為摩擦系數﹐N 為正壓力 3. 用塑膠倒鉤增加拔出力設計的計算。

在有些情況下為了防止松脫而增加連接器的拔出力﹐在塑膠上設計倒鉤﹐利用塑膠的倒鉤來 增加拔出力。

圖8.3凹槽

凸槽

將如圖的塑膠本体看成一個筒支梁 Pmax=

P=

2*σmax*w*t2

3l dE wt 3

l

3

8.48.5

九 .振動

連接器因机械力作用在接触面上的微小變動會導致電信號的中斷﹐在規定的環境下測試 連接器因机械力作用而引起的微小變動連接器因机械力作用而引起的微小變動﹐對于接触系統電气特征穩定之影響。對于接触系統電气特征穩定之影響 1. 測試環境

頻率﹕10HZ~2000HZ~10HZ 振幅﹕3mm

時間﹕2小時(三個軸向上循環一次為1個循環) 2. 滿足條件

無100ns 以上的信號中斷 3. 影響振動特性的原因

一定的正壓力﹐端子的保持力﹐端子的電鍍將影響連接器的振動特性。

十 .机械沖擊

連接器在使用和運輸情況下會受到外力作用﹐所以應有足夠鐵机械強度﹐能經受得住安 裝﹐使用和運輸過程中出現的應力。

用机械沖擊特性評估連接器受到外力作用時的机械和電气完整性。

對于質量等于或小于50g 的連接器通過滾筒試驗測試其机械沖擊特性。連接器在滾筒中 跌落的高度為500毫米。樣品跌落50次﹐實驗后樣品不應有任何導致帶電部件不能繼續保 持在位的破碎﹐開裂或變形。

對于質量大于50g 的連接器﹐則用沖擊試驗進行測試﹐沖擊元是個半徑為10cm 洛氏硬度為 HR100的半圓球﹐其質量為150g, 實驗后樣品不應有不符合標准的損坏。

在設計連接器的机械沖擊時﹐重點考慮塑膠材料的机械強度﹐耐沖擊﹐硬度等特性。

十一 .冷熱沖擊

檢測連接器暴露于极高溫度和低溫時的性能﹐或在貯存､運輸､使用連接器時類似情 況交替出現時的電气和机械性能。

在溫度突然 開高或降低時因端子銅材与本体塑膠熱膨脹系數不同及銅材与塑膠的熱 傳遞系數不同﹐端子与塑膠膨脹或收縮的尺寸會有差別﹐溫度上升時因金屬的熱膨脹系 數大(18.0*10-6/℃左右) 塑膠的熱膨系小(5.0*10-6/℃左右) 端子体積的增大﹐超大塑膠体積的 增大會產生應力﹐該應力可能對塑膠有破坏作用。 △L=λL △T 11.1 △L=變化的長度 λ=熱膨脹系數 L=材料的長度 △T=溫度的變化

相反﹐溫度的突然降低因端子体積縮小比塑膠快﹐端子的保持力會下降會造成端子的松 脫或正壓力下降。

十二 . 溫度壽命

連接器在高溫環境中的机械性能和電气性能隨著時間的推移會有所變化﹐一般有以下情況:

a.基低金屬或電鍍層的氧化. b.表面薄膜形式 c. 金屬的應力松馳 d. 塑膠的高溫軟化

1. 高溫會使端子的應力松馳加快﹐下圖的實驗能驗証這种情況﹕ 圖12.1應力松馳實驗

表12.1應力松馳与溫度關系.

剩余應力%

調質銅材料號

(100℃下1000小時)

AT

25

1/4HT12/HTHT AM

190

1/4HM1/2HMHM

2. 塑膠的熱變形溫度

[**************]8

剩余應力%(200℃下1000小時)

[**************]8

將試片置于槽中﹐施以一定荷重在球体上﹐球体壓在試片上﹐油槽以一定的升溫速率升 高溫度﹐當試片達到一定變形量時﹐所測量到的油溫即為該試片的熱變形溫度。 圖12.2熱變形溫度測量

荷重

試片

油

表12.2常用塑膠的熱變形溫度

破纖含量0%玻纖含量30%名稱

PBT PET PA6PC POM

58℃80℃63℃135℃123℃

210℃220℃190℃145℃163℃

3. 溫度壽命的測試

將連接器在一定溫度下放量一定時間后再測量其的性能﹐觀測是否滿足所需條件。

十三 . 溫濕循環(或鹽霧實驗)

1.將連接器暴露于高溫/潮濕而使得机械性質或電气性質失效的環境中﹐評估這种環境對 接触系統電气穩定性的影響叫溫濕循環測試。 這种環境的影響有﹕

a. 溫度的循環引發接触面之間的微動﹐而濕气加速氧化的速度。 b.接触而的微動造成磨損面的氧化。 c. 由貯存于接触面上的微小粒子的氧化 d. 接触面底基金屬的磨損和生鏽系統的氧化。

2. 將連接器暴露于含有一定鹽份的潮濕水汽中一定時間后評估這种環境對接触系統的電 气穩定性的影響叫鹽霧實驗。 這种環境對連接器的影響有﹕

a. 含鹽的水汽對端子接触面電鍍層的氧化和腐蝕。 b, 對基底金屬的侵蝕和氧化。

c. 接触面微小粒子對接触電性能的改變。

十四 .實例說明

MULTIMEDIA CARD CONNECTORS(EDA P/N: 46L034S-33A) 1.GENERAL CHARACTERISTICS Dimensinon 16.0Lx9.5Wx4.3Hmm Standoff 0mm

Mounting system through hole type 2.FEATURES

Voltage Rating 250V rms AC Current:Rating 0.5A

Contact Resistance 100mΩ Maximum Insulation Resistance 1000ΩM Minimum Withstanding Voltage 500VAC/minute Coplanarity:

Mating Cycles:10000(office environment) Solderability:235+/-5℃,3+/-0.5s Operating Temperature -25℃~+85℃

3.MATERIAL/FINISH Housing LCP UL94V-0 Terminal Phosphor Bronze Underplate 50u"min.Ni.Overall Contact area 10u"min.Au over Ni plate Solder tail 100u"Sn/Pb min.over Ni plate 4.REQUIREMENT 4.1 ElectricalItems

Dielectric WithstandingVoltage

Contact ResistanceInsulation Resistance 4.2 MechanicalItems

Insertion force andcxtraction forceVibration

Condition At a rate of mm/s

Requirement

Insertion force------1.0Kg maxExtraction force------ 0.7Kg max

No discontinuities of 100nsAmplitede ------3mm

Time------1 cycle per 3axis(total 2hours)

Physical Shock

Acceleration------50g Wave type ------sine wave Time------11ms

Direction------2cycle per ±X.±Y.±ZTime ------Total 12 times

4.3EneironmentalItems Thermal ShockHigh Temperature

Condition

Temperature ------20℃/25min~65℃/25min~25℃/5min as a cycleTime------ 5cycle total 5hoursTempe ature------ 85℃Times------ 48 hours

No discontinuities of 100ns

Condition

Requirement

500V AC between adjacent contacts

No physical damage

for one minute

ImA test current and 20mV opercircuit voltage

Initial ------40MΩ maxAfter test ------60MΩ max

500V DC between adjacent contactsInitial------ 1000MΩ minfor one minuteAfter test ------1000MΩ min