- 連接器各構(gòu)件設(shè)計重點
- Housing設(shè)計重點
- Contact設(shè)計重點
- Spacer設(shè)計重點
- Shell設(shè)計重點
- Board lock設(shè)計重點
- 客戶圖繪制重點和連接器設(shè)計check list
Housing、Contact、Spacer、Shell、Board lock等連接器構(gòu)件如何設(shè)計，這是連接器設(shè)計工程師每天都在思考的問題，也是整機(jī)設(shè)計選用連接器時不能忽略的要素之一。本文正是資深連接器設(shè)計工程師做的連接器各構(gòu)件設(shè)計重點總結(jié)，是知識和經(jīng)驗的結(jié)晶。
Housing
它是整個連接器的主體構(gòu)件，其他的零件往它身上組裝。它大致決定連接器的外觀尺寸，需確認(rèn)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能承受最終使用者正常使用的破壞力或是客戶明定的測試規(guī)格(例如:要求施加各方向的力于外接cable，不能看到破壞；或是安裝螺絲時，施加適當(dāng)?shù)呐ちΣ荒茉斐善茐?。
既然是主體構(gòu)件，自然肩負(fù)各零件定位的責(zé)任，因此與其他零件互配部位的尺寸與公差(包括幾何公差)需拿捏適當(dāng)。重要feature (例如:安裝端子的孔，其抽屜寬度)若是由單一模仁決定其尺寸，而該模仁又可由磨床加工制作，則可設(shè)定尺寸公差+/- 0.02 mm，以確保功能。其他如正位度、平面度、輪廓度等幾何公差也要適當(dāng)運用，方可確保功能。
端子除了靠housing做空間上的定位，還須靠housing對它的固持力量來產(chǎn)生端子力學(xué)行為上的邊界條件(例如懸臂梁式端子的fixed end )，進(jìn)而在公母座配接時產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼蛄Γ瑫r避免退pin的情形發(fā)生。因此端子與housing的干涉段尺寸與形狀拿捏必須非常小心。適當(dāng)?shù)亩俗拥勾绦螤钜约案缮媪浚拍艿玫竭m當(dāng)?shù)亩俗颖３至Γ植恢劣谝蚋缮孢^大造成housing變形或破裂。
在電氣功能方面，housing肩負(fù)各導(dǎo)體零件之間的絕緣功能，以一般工程塑膠阻抗值而言，只要射出成型做得到的厚度，后續(xù)加工過程又沒有造成結(jié)構(gòu)破壞，則塑膠產(chǎn)生的絕緣阻抗與耐電壓效果都可符合規(guī)格要求。只有在吸濕性非常強(qiáng)的材料或是端子壓入造成塑膠隔欄破裂的情況下，可能發(fā)生塑膠部分的絕緣阻抗或耐電壓不合格的情形，否則該擔(dān)心的多半是裸露在塑膠之外的導(dǎo)體零件之間的絕緣效果，因為空氣的絕緣效果遠(yuǎn)不及工程塑膠的好。
Housing的設(shè)計除了考慮上述的功能性，也須考慮射出成型的制造性，太厚或太薄或是厚薄不均都不適合，太厚則縮水嚴(yán)重，太薄不易飽模，厚薄不均則液態(tài)塑料充填時流動波前不平衡易造成冷卻翹曲。通常制工負(fù)責(zé)畫好具備零件功能性的模型交給塑模模具設(shè)計工程師，模具工程師會依經(jīng)驗判定該在何處加上什么樣的逃料以改善成型性，但是若原始設(shè)計的肉厚實際尺寸已經(jīng)很小而又有厚薄比例懸殊的情形，則模具工程師也無法靠逃料調(diào)整，制工應(yīng)避免此種情形發(fā)生。模具工程師做好逃料的規(guī)劃后，應(yīng)該與制工確認(rèn)逃料后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否仍符合功能性的要求(有時在裝配上其他零件之后會有補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的功效，應(yīng)一并考慮，例如:鐵殼剛性夠好，則經(jīng)過鉚合于housing上，整體剛性便已足夠)，確認(rèn)后再進(jìn)行模流分析與開模動作。
塑膠材料簡單分為高溫料與低溫料，以材料的熱變形溫度與一般SMT 制程溫度做比較來區(qū)分高溫料與低溫料。一般notebook使用的連接器皆須經(jīng)歷SMT高溫制程，因此必須選用高溫料。有些情形必須在housing上表面保留足夠的平面供客戶作自動插件的真空吸取區(qū)，因此須避免在該處安排進(jìn)膠點或是模仁接合線，以免真空吸嘴失效。
Housing的底面設(shè)計要注意，避免壓到PCB上涂的錫膏，以免造成pad間的短路，因此而有standoff的設(shè)計。此外，standoff有另一功能，就是提供SMT type solder tail調(diào)整共平面度的基準(zhǔn)，也可借調(diào)整各standoff的高度來補(bǔ)償housing的翹曲變形。
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Contact
連接器的功能主要就是靠端子將電訊從一個電路系統(tǒng)傳到另一電路統(tǒng)，因此公母連接器配接之后，須確保公母端子有對號入座并產(chǎn)生良好的電氣導(dǎo)通。除了靠公母座的housing & shell等零件使公母端子落在正確的互配位置，尚須確保公母端子間的接觸正向力足夠大，足以讓電訊順利通過接觸面，若是接觸正向力不足，則接觸面的微觀狀況便是只有細(xì)微的點接觸，單靠零星的細(xì)微點接觸，其阻抗值可能大到幾個歐姆，造成太大的電位降，使電訊接收端無法處理。通常鍍金表面的硬度較低且金的導(dǎo)電性佳，因此接觸面的正向力有20 gf便可高枕無憂，但是設(shè)計者須有公差的觀念，不可將設(shè)計的公稱值定在20 gf，建議設(shè)在大約40 gf左右。因為一般I/O連接器的插拔壽命定在數(shù)千次，這代表端子互配時必須是做彈性的變形才能在耐插拔測試結(jié)束時仍保有適當(dāng)?shù)慕佑|正向力，在端子的選材上，C5210比C5191不易降伏。此外，端子的接觸區(qū)鍍金膜厚也必須能承受數(shù)千次的磨耗，通常，須耐5000次插拔的docking conn.與module conn.在接觸區(qū)鍍金皆為30micro-inch min.。為了使連接器整體插入力不要太大，以免使用不順手甚至造成端子被頂退、頂垮，必須注意端子前端的導(dǎo)引斜面不可太陡，一般設(shè)計在40度角以下。
端子的保持力規(guī)格設(shè)定，因連接器經(jīng)過SMT高溫后會有保持力降低的情形，因此在生產(chǎn)線上抽測保持力時，要求的規(guī)格下限就比端子互配的插入力大了許多，例如每一根端子的互配插入力為30 gf，但是保持力定成300gf min.，就是考慮到公差的變異、使用者插拔的惡劣狀況以及SMT高溫的破壞力。
端子的LLCR規(guī)格，除了考慮接觸面的鍍層與正向力所決定的接觸阻抗，尚須考慮端子本身的導(dǎo)體阻抗，這就取決于端子的材料、尺寸。黃銅導(dǎo)電性佳但是機(jī)械特性差，只適合做公端子；磷銅導(dǎo)電性較差但是彈性較好，可用以制作彈性母端子；鈹銅兼具彈性好、導(dǎo)電性佳的特性，但是材料貴、取得困難又有環(huán)保的問題。端子尺寸設(shè)計好之后，便可依截面積變化情形分割成數(shù)段，分別估算其導(dǎo)體阻抗后累加起來，再加上適當(dāng)?shù)慕佑|面阻抗，便可概略估算產(chǎn)品的LLCR值。若是產(chǎn)品有長短不一的端子，則估算最長端子的阻抗即可。
另一電氣特性是額定電流，這也取決于端子的材質(zhì)與截面積，截面愈大則單位長度的阻抗愈小，通電流所產(chǎn)生的熱量愈少，則端子溫度上升幅度較小，也就可以傳導(dǎo)較大的電流(額定電流的定義是:端子傳遞該電流時，本身溫度上升幅度不超過攝氏30度)。
公母端子的wiping distance設(shè)定值不可太短，一方面是為了確保清除表面污物的效果，一方面也是為了包容自家的制造公差以及客戶系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)公差，一般設(shè)計，最短的端子也要有1.0 mm的wiping distance才保險。
長短pin的設(shè)計，有的是為了降低整體插入力而做成長短pin交錯；有的則是為了讓端子有配接時間差，例如:希望grounding pin先接通,所以有幾支特別長的端子作為grounding pin ，另外可安排幾支最短pin在框口的兩端作為偵測用端子，只要最短pin全部都接通了，就代表其他的訊號端子都已接通(因此偵測端子須安排在框口兩端)。考慮產(chǎn)品的制造公差，長短pin的尺寸差異要適當(dāng)，以免在worst case失去時間差的效果，一般0.5mm作為差異量，若一產(chǎn)品有長中短三種端子，各自長度差異為0.5mm，又要確保最短pin的wiping distance足夠，則產(chǎn)品的尺寸會因而變大。長短pin的位置安排，除非客戶因其他電性功能需求而須指定位置，否則應(yīng)考量廠內(nèi)組裝的便利性，因為不論是靠連續(xù)模直接沖出長短pin或是經(jīng)過2nd forming得到，總是比長度ㄧ致的端子多耗工時或是電鍍多耗貴金屬，因此應(yīng)該盡量將長或短pin等較特殊的端子安排在同一排端子料帶上(有些產(chǎn)品例如docking connector是由八排端子料帶安裝而成，則應(yīng)避免長短端子散布在八排料帶上)。
有些記憶卡的連接器，因為與端子接觸的是記憶卡上的金手指，有些金手指的鍍金質(zhì)地較軟，端子稍有不平滑，插拔三五次就可在金手指上看到明顯刮痕，因此須將端子杯口coining成球面以減輕磨耗。否則即使模具設(shè)計杯口上表面為剪切面沒有毛頭，但是經(jīng)過折彎成杯口時，該處上表面兩邊緣便會因為Poisson effect而向上翹，因此在公母互配時就只有這向上翹起的兩條edge在公端子(或金手指)上滑動，磨耗問題仍然嚴(yán)重。
SMT產(chǎn)品的焊腳設(shè)計，在水平段最好有一個Z字形折彎以避免焊點上過大的熱應(yīng)力，另外，真正要吃錫的那一段tail與水平面的夾角不可太大，否則造成只有末端或是折彎點處吃錫，都不能通過SMT焊錫的檢驗。端子的電鍍要注意避免鍍錫區(qū)直接與鍍金區(qū)相連，以免于SMT制程中發(fā)生溢錫(solder wicking)的不良情形。當(dāng)產(chǎn)品pitch很小，端子受housing固持的部分又很短，很難靠裝配方式得到可靠的固持效果與保持力，這時就應(yīng)考慮insert molding(夾物模壓)的方式。采取此方式在端子方面要注意兩點:
a. 在塑模內(nèi)的封料部分的端子寬度尺寸要控制在0.03mm(正負(fù)一條半)的變異范圍內(nèi)(連電鍍層的厚度都要考慮進(jìn)去)，以免過寬遭模具壓壞或是太窄出毛頭。另外封料段應(yīng)該是平面段，避免在折彎曲面上封料。
b. insert molding時，高溫液態(tài)塑料流經(jīng)端子表面，溫度可能高于攝氏300度，會造成端子表面的錫鉛熔化而隨塑料向下游流動，不巧搭接到相鄰端子時，變造成射出成品的short問題。所以必須避免鍍錫鉛區(qū)延伸到塑料覆蓋區(qū)內(nèi)。
彈性端子在公母配時，內(nèi)部應(yīng)力最大的地方在懸臂的根部，應(yīng)該避免該處附近有任何應(yīng)力集中的情形，折彎半徑太小所造成的裂紋是嚴(yán)重的應(yīng)力集中處，應(yīng)避免在彈性端子根部附近作半徑太小的折彎，若必須折彎則建議取該材料最小R/T比的兩倍以上的折彎半徑，以免發(fā)生裂紋。有些端子設(shè)計為電鍍后做二次折彎再進(jìn)行裝配，二次折彎點應(yīng)該為鍍錫鉛區(qū)所涵蓋，因為錫鉛鍍層比鎳鍍層軟而延展性較佳，比較不會因為二次折彎而產(chǎn)生鍍層裂紋，但是也因為比較軟而較容易被折彎治具弄出刮痕。
端子以壓入方式與housing組合者，常在端子壓到定位后，治具向后退開時又發(fā)生端子向后退出一些的情形，因此最好不要設(shè)計成端子靠肩(治具推端子的施力點)與housing后表面切齊，以免無法壓到位。通常靠肩部分是端子裸露在housing之外最寬的地方，也就是相鄰pin間隔著空氣距離最短的地方，要注意此處的耐電壓能力。目前為止聽過客戶能容許的PCB孔緣間距最小為0.15mm，因此如果端子在配接框口中的pitch太小，則tail應(yīng)該錯開成多排以增加PCB孔間距。
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Spacer
spacer主要是將端子的tail做精確的定位，以方便客戶將connector插件于PCB上。若空間容許，可設(shè)計成浮動式的:客戶收到貨時spacer在下死點，端子tail凸出spacer底面的長度較短，則tail尖端的正位度最準(zhǔn)，客戶直接對準(zhǔn)PCB孔位插入，插入過程順便將spacer向上推至定位。設(shè)計時要注意如何使spacer穩(wěn)固的定位在下死點，不會脫落、也不會因為震動而自行上抬到上死點，此外，在裝配線上，因為產(chǎn)品檢驗有類似插板的動作，因此也要設(shè)計成方便以簡易治工具將spacer自上死點退回到下死點。另外就是考慮spacer如何容易裝配到housing上，要讓端子tail穿過spacer的孔，一般是將spacer孔的上緣做成很大的chamfer，若端子有很多排，則可將spacer做成階梯狀，以便在組裝時分段依序?qū)?zhǔn)各排端子tail而安裝入housing。設(shè)計的概念是要靠spacer將端子校正，但是曾經(jīng)發(fā)生歪斜的端子不但沒被校正反而將spacer帶歪了的情形，當(dāng)時的對策是將spacer中的端子孔形狀修改，讓平直段的長度縮小到0.2~0.3mm，其余長度都做成上述chamfer的斜面部分，這樣的形狀使spacer校正端子時的接觸為近似點接觸(只在那一小段平直段的孔壁上接觸)，那么端子施給spacer的反作用力(也是point force的集合)就不容易造成spacer翻轉(zhuǎn)歪斜。以docking conn.產(chǎn)品的spacer而言，階梯狀的設(shè)計，具有保護(hù)端子的功能，因為階梯狀使端子外露于塑膠之外的部分縮小，作業(yè)員取放時，比較不容易捏壞端子(此為客戶的使用經(jīng)驗)，但是伴隨而來的影響則是端子散熱的效果較差、產(chǎn)品總重量較重(曾有客戶抱怨我們的產(chǎn)品比AMP的多了6~7克)。 Spacer底面的standoff設(shè)計不可省，否則必定造成壓錫膏的問題。 Standoff的高度至少要0.15mm。
Shell
Shell的功能包括:機(jī)構(gòu)方面有結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、公母座配接框口界定、連接器于PCB的定位、分擔(dān)外力等功能。電氣方面有EMI遮蔽、ESD接地甚至有當(dāng)作power傳輸?shù)耐贰Ｒ陨瞎δ艹吮仨毚_保shell與housing穩(wěn)固的接合，尚須做好shell與PCB的接地導(dǎo)通。
Shell的構(gòu)造分兩種，一是以抽引方式成型，一是以折彎包覆方式成型。前者的結(jié)構(gòu)剛性較佳，但是模具技術(shù)較高，材料必須選用延展性佳者， 才不會在抽引加工時破裂。例如SPCC、SPCE與黃銅都適合做抽引加工， 但是不銹鋼就極難做抽引加工。沖壓工程師在抽引模具開發(fā)時，初始設(shè)計依制工設(shè)計的零件R角尺寸制作沖子，但是往往在試模時因為發(fā)生材料破裂便自行將沖子的R角加大，最后是順利抽引出鐵殼，但是在法蘭邊與抽引段交界處的R角以及抽引段底部四周的R角可能都比設(shè)計尺寸大多，結(jié)果就是鐵殼套到housing上會發(fā)生干涉而套不到底或是公母鐵殼在互配時發(fā)生干涉而配不到底。因此最好在這兩個地方預(yù)留較大的間隙，并且在設(shè)計審查會議中特別提出請沖壓單位仔細(xì)評估確認(rèn)可行性。折彎包覆式鐵殼的設(shè)計，應(yīng)注意接合處的平整度與結(jié)合強(qiáng)度，以免影響公母互配性以及耐插拔性，甚至有可能在客戶SMT制程就無法平貼PCB，造成空焊或掉件。折彎包覆式鐵殼比較容易做鍍后沖的制造方式，也較能夠在鐵殼結(jié)構(gòu)上多做變化，例如:框口前緣可以向外翻出導(dǎo)引斜面，使blind mating容許的初始偏心量較大；也可以在框口上設(shè)計一些彈片以利公母鐵殼互相搭接；另外就是在cable end connector上，鐵殼甚至可以與latch做成一體式。公母鐵殼互配后必須使兩者做電氣導(dǎo)通，使連接器兩端的系統(tǒng)電路接地電壓成等電位，同時也讓鐵殼的EMI遮蔽效果發(fā)揮，公母鐵殼間的搭接點愈密則遮蔽效果愈好。但是可能使整體插拔力增加。
至于公母鐵殼各自連接到PCB的grounding layer，則可以自鐵殼本身延伸出插板的焊腳或是經(jīng)過其他金屬零件連接到PCB，例如經(jīng)過車件的rivetting nut以及board lock連接到PCB。鐵殼通常是連接器的最前線，可以比端子先一步接收外來的靜電并將它疏通到接地去，發(fā)揮其ESD防護(hù)功能；或是確保公母配時鐵殼最先搭接，也就使兩個電路系統(tǒng)的GND最先接通，以滿足某些系統(tǒng)設(shè)計的需求。因為鐵殼是最前線，最容易被使用者觸及，應(yīng)要求去除鋒利的下料毛頭，以免割傷使用者。鐵殼的電氣功能與鐵殼材質(zhì)的導(dǎo)電性有密切關(guān)系，因此應(yīng)盡量選擇導(dǎo)電性較好的材料，像不銹鋼就不適合，因為其導(dǎo)電性不好。因為公母鐵殼互配時必定有相互接觸摩擦，因此表面鍍層應(yīng)選擇鍍鎳才夠硬耐磨，但是鎳的焊錫性不好，最好在鐵殼焊腳處選鍍錫鉛，若全面鍍錫則容易產(chǎn)生磨損痕跡。
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Board lock
Board lock的功能是確保連接器插板后能平貼PCB，并且在后續(xù)系統(tǒng)成品應(yīng)用中分?jǐn)傄恍┩饬Γ袝r也肩負(fù)鐵殼接地的責(zé)任。通常設(shè)計時最重要的就是在插板力最小(插板力太大則客戶在SMT制程中無法自動插件)的情況下有適當(dāng)?shù)淖グ辶Γ瑫r又能包容PCB的孔徑與板厚等尺寸公差。為了共用于兩種板厚尺寸的PCB，AMP有一種設(shè)計的專利，它在board lock的兩支腳上各長不只一個的尖角，尖角可直接壓迫PCB孔內(nèi)壁以產(chǎn)生足夠的摩擦力，防止退出，切記不可侵犯此專利。因為產(chǎn)品不會多次插板又拔出，因此并不需要將board lock設(shè)計成完全彈性變形，但是最好請工程分析幫忙確認(rèn)設(shè)計尺寸對應(yīng)的插板力與抓板力，以免不停設(shè)變。
較常見的board lock有兩種，一是下料式的hook type，另一是折彎式的kink type，一般反應(yīng)是hook type尺寸較穩(wěn)定，插板時也比較不容易將整個PCB孔內(nèi)的錫膏推出掉落，較受客戶歡迎。
Board lock若需分?jǐn)倯?yīng)用時的插拔力或其他外力，則其位置就相當(dāng)重要，設(shè)計原則是當(dāng)外力產(chǎn)生時，board lock能及早分?jǐn)偞蟛糠值耐饬Γ绠?dāng)外力作用在housing上，產(chǎn)生一個杠桿效應(yīng)，支點可能在PCB的前緣，或是在housing的后緣，這時就要考慮清楚，board lock究竟該放在何處，才能分?jǐn)偟舸蟛糠值耐饬Α．?dāng)然，board lock與housing間的結(jié)合強(qiáng)度要足夠，否則后果就是board lock還牢牢的留在原處，但是housing & contact已經(jīng)被外力推移到破壞。
Board lock可以是獨立的五金件，也可以是從鐵殼上延伸出來的結(jié)構(gòu)， 若是前者，則常常需要再花心思如何讓鐵殼與board lock導(dǎo)通，以便讓鐵殼接地，發(fā)揮隔離EMI或是疏通ESD的功能。在docking conn.的設(shè)計上，常用車制的nut穿過board lock,housing,shell然后將前緣鉚開，達(dá)到組合固定以及導(dǎo)通橋梁的功能。 Nut前緣要鉚開，局部的應(yīng)變非常大，一不小心就容易發(fā)生鉚裂的情形，一般采用表面鍍錫處理，比較有延展性，同時配合適當(dāng)?shù)墓鼙谌夂褚约般T合深度，應(yīng)可避免鉚裂的情形。此一鉚合用的nut一般又有另一功能，就是提供一個內(nèi)螺紋供導(dǎo)位用或固定用車件旋轉(zhuǎn)配入，因此在裝配該車件時，就有可能將扭力傳到nut身上，為避免nut隨之旋轉(zhuǎn)，housing必須有機(jī)構(gòu)特征來固定nut以防止其旋轉(zhuǎn)。須確認(rèn)housing結(jié)構(gòu)夠強(qiáng)，不會被nut的旋轉(zhuǎn)扭力破壞，或是頂出新的standoff。
客戶圖繪制重點
a. 盡量將尺寸圖、layout、規(guī)格與BOM都放在同一張圖面上。
b. 產(chǎn)品尺寸標(biāo)注，以客戶應(yīng)用需要知道的尺寸為主，不需要標(biāo)示的就不必多此一舉，以免客戶拿來作為檢驗項目，徒增困擾。公差方面，建議斟酌廠內(nèi)制造能力來標(biāo)示，不要一味保護(hù)自己，標(biāo)一些大得不合理的公差，以免客戶比對尺寸圖與layout圖，一下就發(fā)現(xiàn)worst case無法插板之類的問題。
c. SMT type產(chǎn)品的solder pad建議尺寸，應(yīng)該考慮當(dāng)tail長度做到上限時，pad仍比tail多出一個端子材厚的尺寸，才能確保客戶看到端子端面理想的填錫效果，pad寬度尺寸的考量亦然。
d. Through hole端子建議的PCB孔徑，則大約取端子橫斷面對角線長度再加個0.3mm。孔與孔之間應(yīng)該要有0.15mm以上的距離，方足以讓trace通過，因此，端子pitch太小則必須在tail處錯成多排，以便將PCB孔距加大。
e. Board to board connector要記得標(biāo)注板到板的距離，through hole形式的產(chǎn)品要注明適用的板厚范圍。
f. BOM中的材質(zhì)說明不必明確交代是何種銅合金或何種工程塑膠，以免日后因力學(xué)問題或阻抗問題須改材料時又要更新版次。
連接器設(shè)計check list
a. 客戶需求尺寸之滿足，包括外觀尺寸、stacking height(or board-to-board distance)、wiping distance、長短pin差異、through hole元件的尺寸。
b. 機(jī)械與電氣規(guī)格之確認(rèn)，包括整體插拔力、端子正向力、LLCR、current rating、耐電壓。
c. 產(chǎn)品在PCB上的定位效果。
d. 產(chǎn)品的包裝for auto pick and place。
e. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)可靠度審核，
f. 零件間的組合在六個自由度上的限制是否完備可靠。
g. 零件的裝配性，導(dǎo)角、預(yù)裝效果、干涉量、間隙預(yù)留。
h. 公母配的stopper。
i. 母端子的活動空間是否足夠，會不會有簡支梁的問題發(fā)生。
j. 母端子前端是否安全的躲在塑膠隔欄內(nèi)？確認(rèn)worst case仍不會突出隔欄，以免被頂垮。
