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1、10/1199,Page1,Foxconn連接器設計手冊,Design Guide for Connector,Revision:APrepared:Smark Huo,10/1199,Page2,大綱1.連接器產品基本特征2.塑膠零件設計 2-1.塑膠結構設計 2-2.塑膠材料選擇3.端子五金零件設計 3-1.保持力設計 3-2.正向力設計 3-3.端子應力設計 3-3.銅材選用4.高頻設計5.電鍍設計6.PCB焊接技術簡介,Outline,10/1199,Page3,Characteristic of connector,連接器的特性,高速傳輸(High speed transmissio
2、n)散熱(Heat dissipation)電磁波/高頻測試(EMI/RFI)噪音(Acoustics)電力分配(Power distribution)結構(Mechanical design)外觀(Product styling&Cosmetics)環保(Environmental protection&Recycling),10/1199,Page4,Design concept,輕量化(Low Weight)小型化,小pitch化(Minimum Size)低成本(Low Cost)高性能(Height Performance)量產性(Height Productivity),連接器設計
3、理念,10/1199,Page5,機械設計程序,Design Process,10/1199,Page6,Design of Plastic Part,第一章.塑膠零件設計,10/1199,Page7,Design of Plastic Part,2-1.塑膠零件結構設計-壁厚(Thickness)設計,設計原則:1.壁厚均勻2.盡可能小的肉厚3.受力處和合膠線處要有足夠的厚度,保證一定的強度(圖示),合膠線,受力面,如果無法避免不均勻的肉厚設計時,應盡量采用逐步過渡的形式,避免突變,否則容易產生變形,不好的設計,好的設計,肉厚過渡部份,10/1199,Page8,Design of Plas
4、tic Part,2-1.塑膠零件結構設計-壁厚(Thickness)設計,左圖肉厚設計不均勻,右圖為改進後的設計,肉厚設計均勻,成型時不易產生縮水,氣泡,變形等不良現象,Good,Good,Bad,Bad,10/1199,Page9,Design of Plastic Part,2-1.塑膠零件結構設計-加強筋(Rib)設計,主體肉厚:T拔模角度D:0.5-1.5 加強筋高度:小於5T(一般為2T3T加強筋間距:2T3T連接圓弧半徑:R=0.250.4T寬度(W):0.40.8T(PC/ABS小於0.5T,ABS為0.5-0.7T),10/1199,Page10,Design of Plas
5、tic Part,2-1.塑膠零件結構設計-凸台設計,凸台尺寸設計規范主壁厚:T拔模角(d):0.5-1.5 凸台高度:小於5T(一般2.53T)過渡圓弧半徑R:0.25T0.40T凸台厚度(W):0.4T0.8T,10/1199,Page11,Design of Plastic Part,2-1.塑膠零件結構設計-角撐(Gussets)設計,10/1199,Page12,Design of Plastic Part,2-1.塑膠零件結構設計-一般圓角設計,10/1199,Page13,Choice of Plastic Material,連接器設計選用塑膠原料的原則 由於連接器的housin
6、g結構特點基本上都是,薄肉(最小的小於0.2mm),多pin孔,細長結構,同時因應IT行業的產品更新換代快,競爭激烈,所以材料的選擇必需遵循一下的原則:流動性好,可成型肉厚較薄的產品(如LCP,PPS,NAYLON類)高強度,抗沖擊性,耐高溫(SMT焊接制程的需要)優異的電氣性能(高絕緣電阻,低的介電常數)冷卻速度快(縮短成型周期,提高效率,節約成本)在滿足性能的狀況下,盡量選用價格便宜的材料,10/1199,Page14,10/1199,Page15,連接器設計常用的塑膠原料特性比較,Choice of Plastic Material,10/1199,Page16,Choice of Pl
7、astic Material,10/1199,Page17,Choice of Plastic Material,10/1199,Page18,Choice of Plastic Material,10/1199,Page19,Choice of Plastic Material,10/1199,Page20,Choice of Plastic Material,10/1199,Page21,第二章.端子零件設計,Design of Terminal,10/1199,Page22,1.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。2.保持力太大，有兩項缺點：(1)增加端子插
8、入力，易造成端子變形(2)增加housing 內應力，易造成housing 變形。3.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,Design of Retainer Force,保持力的作用:固持端子于Housing中,防止脫落焊接時,提供Connector,整体保持力檢驗端子壓狀況及隔欄強度狀況(耐電壓性能),10/1199,Page23,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
9、可以單層及雙層或三層。干涉量通常設計在0.04mm-0.13mm 之間,Design of Retainer Force,3-1.保持力的影響因素,10/1199,Page24,Design of Retainer Force,3-1.保持力的影響因素,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
10、力不會增加，干涉量介於兩者之間，保持力呈現性的方式增加，增加的量隨材料及卡榫設計的差異約在30-120(gf/10mm)。,10/1199,Page25,Design of Retainer Force,3-1.卡榫的結構設計,雙尖點雙邊卡筍,單尖平面單邊卡筍,單尖雙邊卡筍,單尖單邊卡筍,雙尖點單邊卡筍,單尖平面雙邊卡筍,10/1199,Page26,Design of Retainer Force,3-1.卡榫的結構對保持力的影響,1.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。2.單邊卡榫較雙邊的保持力大。3.雙凸點較單凸點的保持力大，但不明顯，可以忽略。4.凸點前的導角角度與
11、保持力無關。5.較薄的板片保持力也相對的較低6.總結而論：端子和塑膠接觸面積越大，保持力越大，而且其效果非常明顯。,10/1199,Page27,Design of Normal Force,3-2.端子正向力設計,鍍金端子正向力：50-100 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
12、耐磨耗性。,10/1199,Page28,鍍金端子正向力輿接觸阻抗的關係,Design of Normal Force,圖示曲線表明:當正向力大於50gf後,接觸阻抗幾乎不隨正向力而變化,10/1199,Page29,端子正向力的設計必需考慮材料的最大應力,端子理論應力的計算方法如下:,d:位移量(mm)E:彈性係數(110 Gpa)s:最大應力(Mpa)F:N(50-100gf),*Forming and blanking 端子設計差異及重點,F:理論正向力,Design of Stress Force,10/1199,Page30,理論應力/材料強度,永久變形(mm),永久變形輿理論應力的
13、關係,Design of Stress Force,10/1199,Page31,永久變形輿正向力的關係,Design of Stress Force,10/1199,Page32,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.若產品設計應力高出材料強度很高時很容易產生跪針現象。,Design of Stress Force,永久變形輿應力的
14、關係,10/1199,Page33,Design of Resistance,端子接觸理論,SURFACE1,SURFACE2,P,P,P,P,P,P,10/1199,Page34,幾何接觸形態,球對平面接觸,圓柱對圓柱接觸,圓柱對平面接觸,平面對平面接觸,Design of Resistance,10/1199,Page35,電流流過端子接觸區域時的總電阻值(RT),是為体積電阻值(RB),擠縮電阻值(RC),和簿膜電阻值(Rf)的總和,Rc,Rf,R+,1,1,1,+,+,.,CR=,bulk,R,R,c,f,SURFACE1,SURFACE2,P,P,P,P,P,P,Design of
15、Resistance,10/1199,Page36,接觸阻抗,實際阻抗 實際阻抗值=素材阻抗接觸阻抗,素材體積阻抗,L:端子導電長度(mm)A:端子截面積(mm2):導電率(%)純銅之電阻係數=17.24110-3,Design of Resistance,(Cf,Rk,Ie取值見附頁),10/1199,Page37,一般材料導電率表,Design of Resistance,10/1199,Page38,Design of Resistance,10/1199,Page39,Design of Resistance,10/1199,Page40,Choose of Material,低接觸電
16、阻與素材電阻而滿足迴路需求腐蝕電阻須低確實插入時，須有低摩擦力與良好的導電性適當的彈性特性價格須低傳導性(Conductivity)最小素材電阻延展性(Ductility)幫助端子之成形降伏強度(Yield Strength)在彈性範圍內，可擁有大的位移應力鬆弛(Stress Relaxation)端子於長時間受力或使用於高溫時 抗拒負載能力仍能維持硬度(Hardness)減少端子金屬的磨損,銅材選擇基本要求:,10/1199,Page41,銅材物性表,10/1199,Page42,Choose of Material,連接器端子常用銅材,黃銅(Brass)-價格低,導電性佳,機械強度差磷青銅
17、(Phosphor Bronz)-價格中等,導電 性略差,機械強度佳.鈹銅(Beryllium Copper)-價格高,導電性及 機械強度均佳.,10/1199,Page43,隨著合金強度增加:成型性降低 最小的彎曲半徑:內R=1倍銅板材料厚度 材料沖壓特性 方向與幾何特性,Choose of Material,端子材料成型性特點,10/1199,Page44,Choose of Material,端子彈臂結構形狀,Reflex Spring,Rolling Leaf Spring,Double Reflex Spring,Pre-loaded Contact Spring,10/1199,P
18、age45,Design of Height Frequency,第三章.連接器高頻設計,10/1199,Page46,Height Speed Connector Design Guide,高頻連接器的基本參數:串音:信號在導體內傳輸時受外部電磁波干擾的現象阻抗匹配:高頻信號傳輸時連接器是阻抗不匹配的可能發生點,電感(L):傳輸導體的電感電容(C):端子之間的雜散電容爬升時間(Tr):信號的爬升時間短-高頻,爬升時間短阻抗匹配困難,10/1199,Page47,Height Speed Connector Design Guide,10/1199,Page48,Height Speed Co
19、nnector Design Guide,10/1199,Page49,Height Speed Connector Design Guide,10/1199,Page50,Height Speed Connector Design Guide,10/1199,Page51,連接器在高頻工作時,信號的傳輸類似波的行為,傳輸過程中會發生以下現象:散射:信號可能會在空間散布,影響到臨近的端子,或受外來電磁波的影響,即所謂的串音或電磁干擾(EMI),電磁波的能量形式通常用電感L,電容C來表示,L和C越大,干擾越大阻力:電磁波經不同的環境會有不同的傳輸行為,具體來說,類似直流電的電阻,稱為阻抗(Imp
20、edance),阻抗是L和C的組合效應:Z0=L/C,只有當所有傳輸路徑的阻抗差不多時,傳輸才會順利,否則會發生反射,即阻抗不匹配(Impedance mismatch).爬升時間越短,阻抗匹配越困難,Height Speed Connector Design Guide,10/1199,Page52,因連接器之目的即為傳輸信號,而傳輸線的電容,電感取決於導體的几何形狀和介質特性電容:C=,Height Speed Connector Design Guide,AD,若是設計不良,則會導致信號傳輸延遲,訊號扭曲及阻抗不匹配的現象,信號傳輸的路徑越長,L越大,材料(輿housing材質有關)的介
21、電常數越大,C越大,所以高頻連接器的設計必需考慮端子的形狀和材料的選擇,10/1199,Page53,第四章.連接器電鍍的功能和目的,Design of Plating,10/1199,Page54,Design of Plating,連接器電鍍的功能和目的,10/1199,Page55,第五章.PCB焊接技術簡介,Welding Between Connector And Printed Circuit Board,10/1199,Page56,一.分類說明:按與母板(P.C.B)焊接方式不同,PC連接器可分為鍍層穿孔(Plated Through Hole)和表面粘著(Surface Mo
22、unt)兩種.1.鍍層穿孔(簡稱T/H).T/H是把圓形,矩形,四方插腳(Solder Tail)插在P.C.B的通孔里,過波峰焊(Wave Solding)焊在P.C.B上的技術.T/H的特點是:結構簡單,操作方便,對材料要求不高,成本較低,因而應用廣泛.缺點是:需要穿孔,故P.C.B只能單層安裝元件.,PCB組裝的分類,Welding Between Connector And Printed Circuit Board,10/1199,Page57,2.表面貼裝(簡稱SMT)SMT是在P.C.B上使用焊錫墊(Solder Pad),使其高溫融化與連接器管腳焊在一起的技朮.它的優點是:可以
23、雙面安裝,增加P.C.B使用面積層數,使其 布線更合理,更緊湊.它的缺點是:安裝定位要求高,需要耐高溫材料,如(PA6T.PPS.LCP等),成本較高.,Welding Between Connector And Printed Circuit Board,10/1199,Page58,印刷電路板,電阻,積體電咯IC,焊點,焊墊,(a)傳統零件之焊點結構,印刷電路板,焊點,焊墊,電阻,(b)SMT零件之焊點結構,Welding Between Connector And Printed Circuit Board,10/1199,Page59,對於T/H焊接,一般焊錫腳輿PCB板孔的間隙在0.
24、20.4mm之間最為合適,推薦使用的焊錫腳大小見附表;端子腳露出PCB的長度:一般要保證良好的焊接效果,端子腳長度需高出PCB板0.8mm以上,Welding Between Connector And Printed Circuit Board,10/1199,Page60,SMT之優點 1,可使封裝密度提高50%-70%;2,可將多個零件合並於一個SMA相;3,可用更高腳數之各種零件;4,提高傳輸速率;5,組裝前無須任何準備工作;6,具有更多且快速之自動化生產能力;7,減少零件貯存空間;8,節省製造廠房,且總成本降低.,Welding Between Connector And Print
25、ed Circuit Board,10/1199,Page61,發料Parts Issue,基板烘烤Barc Board Baking,錫膏印刷Solder Paste Printing,泛用機貼片Multi Function Chips Mounring,迴焊前目檢Visual Insp.b/f Reflow,熱風爐迴焊Hot Air Solder Reflow,修理Rework/Repair,迴焊后目檢,測試,品管,入庫Stock,修理Rework/Repair,點固定膠Glue Dispensing,高速機貼片Hi-Speed Chips Mounting,修理Rework/Repair
26、,SMT技術組裝流程圖Surface Mounting Technology Process Flow Chart,10/1199,Page62,Slope:Keep the slope low to minimize motherboard warping during preheat.,Peak temp,215+/-5deg C,Slops 3deg-C/sec,Time liquidus 45-90 seconds,Slop 3deg-C/sec,Hold at 130-160 deg C for approx.2 minutes,183 C,Board Temp,(升溫區),(恆溫區
27、),(溶解區),(冷卻區),Time,130-160C range:Extended period allows board temperature to stabilize(warp)and allows flux to finish cleaning prior to reflow.Also help minimize thermal of reflow.,SMT Process,10/1199,Page63,250,200,150,100,50,0,0,32,64,96,128,160,192,224,256,288,320,352,384,焊接曲線Rcflow profile,s,10
28、/1199,Page64,1.平面度要求:平面度是SMT連接器最重要的參數之一.如果變形大,就會在P.C.B上 虛焊,漏焊.它一般受TAIL本身平面度.焊錫墊平面度及塑膠本体之變形等影響.在檢測方面有CCD2.TAIL真直度要求:因為客戶P.C.B上焊錫墊的寬度及位置是固定的.如果TAIL之真直度不符規格,則會造成錯焊.斜焊等嚴重不良.3.導通要求:連接器最基本功能是導通,SMT連接器因其PITCH小,端子強度較弱,故導通測試實驗上較難掌握,治具檢測方法不當,即會造成TAIL和BELLOW變形.4.塑膠耐焊錫熱變形要求:SMT連接器的焊接一般要經過兩次高溫,其不良主要表現在過焊錫后變形超過規格
29、及塑膠本身起泡而影響焊接品質,克服此不良主要從材料,成型條件,成型机台方面考慮.,SMT對連接器功能的要求,10/1199,Page65,5.其它要求:比如金屬絲.因為SMT連接器的PITCH小,如果金屬絲的長度超過PITCH,則可能錯接造成短路.一般金屬絲是由于折CARRY造成,解決方法有把打V-CUT結構折CARRY方式改為切CARRY方式或者盡量減少V-CUT處寬度,使其金屬絲減至最短及杜絕.,SMT對連接器功能的要求,10/1199,Page66,第六章.錫膏輿助焊劑,10/1199,Page67,Soldering Tin Paste And Flux,焊膏的分類合金熔點:1.高溫焊
30、錫膏,2.一般焊錫膏 3.低溫焊錫膏 根據焊接溫度不同,可選擇不同溶點的焊錫膏.對表面貼裝 來說,焊膏的熔點一般為179-183助焊劑活性:無活性(R);中等活性(RMA);活性(RA);超活性(R)焊膏的粘性:根據工藝手段的不同來選擇清洗方式:溶劑清洗,水清洗和免清洗,免清洗是當今電子行業發展 的方向.,10/1199,Page68,銲錫膏的種類,Soldering Tin Paste And Flux,10/1199,Page69,1.溶劑 將助焊劑之所有組成溶解成一均勻狀之溶液進而得到一 活性均勻之助焊劑 2.活性劑 1)消除焊接面之氧化物,降低表面張力 2)活性劑之種類 A.有機酸類
31、B.有機氨類 C.有機酸鹼酸鹽 3.抗捶流劑 1)防止錫粉與錫膏助焊劑分離 2)防止錫塌,錫膏助焊劑成份,Soldering Tin Paste And Flux,10/1199,Page70,助焊劑的分類(依成份),Soldering Tin Paste And Flux,10/1199,Page71,Introduction To Lead-free Soldering,無鉛制程常用焊材合金,無鉛焊材的熔點普遍高於傳統的錫鉛系焊材,這對於連接器來說,要求housing要能夠承受更高的錫溫,故為了在設計SMT型連接器時,要選擇能夠承受更高的錫溫的塑膠材料,目前有客戶的無鉛制程要求塑膠材料能夠在265保持10秒不產生變異,針對有無鉛要求的客戶,我們的材質要重新評估.,10/1199,Page72,理 論 指 導 實 際 實 踐 檢 驗 真 理,結束語,
