可分离式连接器
在第一章中,就连接器曾给出如下的功能性定义:电子连接器是指一种能够为电子系统两个子系统之间提供可分离式接触界面的电子装置。
可分离式接触界面本身具有一些要求,其中包括耐久性,结合力及机械稳定性。耐久性指连接器可正常工作的结合周期。一个连接器所需要的结合周期取决于其具体应用。当制造工艺比耐久性重要时,这个数值可以较低,大约为10。至于便携式计算机(如办公室或家庭用的笔记本计算机)时,就需要数千周期。耐久性主要涉及接触面涂层消耗的可能性,其导致第三章中提到的腐蚀保护及界面最佳化的丧失。结合力(连结连接器之插头与插座所需的力)对于高级端子计数连接器尤为重要,这种连接器由于其结合力较大导致须以工具辅助装设否则将被破坏。机械稳定性指连接器承受应用载荷如震动、冲击及热循环的能力,其可能导致接触面干扰。这种干扰也可能产生如第三章所述的电镀层脱落。
影响这些操作性能的主要的连接器设计及物料因素是接触面涂层、正常接触力及接触面形状。本书第二章、第三章曾就接触面涂层对摩擦、损耗及受此影响的耐久性、结合力的重要性和影响进行说明。
本章将讨论正常接触力和几何形状对操作性能的影响,其中正常接触力是重点,尤其是它的产生、大小及其稳定性的维持。
6.1 引言
为方便起见,将前述连接器横载面图1.1再现为图6.1。在连接器中各种各样的可分离的接触面接触之设计拓展了在不同环境的要求下应用的连接器的范围。可分离式连接器一般具有两部分。大体上,连接器的一端(通常插座)是弹性部分,而另一端(插头)之固体接触部为post,pins,或者PWB。分类上,这些装置可归入post/插座,pin/插座,及卡边连接器。
图6.2是典型的插头接触端之实例。
PWB(图6.2.a)就是三级和一些四级连接器装置的一部分。posts和pins的主要差别在它们的几何形不同。posts为方形或其它规则形,而pins则为圆形。
图6.2.b所示的一侧边为
Pins在四级产品中应用不多,其主要应用在于五级与六级产品中。根据不同情况其可应于很多尺寸。常用的两种型号为如图
大多数母端子都设计成悬臂梁形状,当然也可以看到混合接缝.一些最常见的形状如图6.3至6.5所示.最简单的母端子设计成悬臂梁,如具有卡片状边缘的端子(图
对于插杆\插座系统,有多种的端子接缝在应用,如图
这些系统提供了太过长的端子,它们都应用了贵重金属而且末端镀有锡,最后的25平方母端子设计图是有四条接缝的卷盒端子,是为了适应贵重金属末端的要求,而主要应用了高性能和多插脚。
正如同对端子的决定一样,为了相同的市场公端子还应用于可机加工螺旋和冲压成型的类型。图
在应用中还有许多其它的母端子,都是为了适应耐久性配合力,成本的要求.上述有提及到,母端子弹性的一个重要功能是产生正常接触力。
6.2 接触正压力
由于接触正压力对于以下性能特性之影响,使其成为连接器设计中一个主要参数。
* 配合力
* 磨损
* 接触弹性部上之压力
* 连接器壳体上之压力
* 接触电阻
增加之正压力对以上前四项产生不利影响,而只对一项产生缓和之因素。如在第二章所讨论的,一样之接触面结构,即冷焊后之粗糙结合部,引起了磨擦及磨损。增加之正压力提高了磨擦力,也增大了配合力及磨损率。缓和之因素是增加之磨擦力同样提高了端子接触部之机械稳定性。这是一个有利的因素,因为它减少了接触面之潜在不稳定性,降低了它受在端子接触面或其附近出现之腐蚀性产品或污浊影响的敏感程度。如将要被讨论的,增加之正压力使得在端子弹性部上之压力变大,这样反过来也对连接器壳体产生一个更高之压力,因为在大多数连接器设计中,端子是被壳体在某些点所固持的。在端子弹性部上的更高压力对弹性物质产生的强度和其可成形性间之权衡关系有更高之要求。在连接器壳体上之高压力导致壳体更易发生变形,这样可能影响弹性部之固持位置,进而影响正压力。从这一点来看,显示出增加之正压力总的来讲对连接性能产生不利之影响。然而增加之正压力却可以抵销这些不利影响,如在第二章所讨论的,接触电阻随着正压力之增加而减少,正如公式(2.9)所显示出的,为方便叙述重复于公式(6.1)中。
Rc=接触阻力
K=一个包括表面粗糙程度,接触方式和弹性或塑性变形影响之系数
ρ=电阻系数
H=硬度
Fn=接触正压力
增加的正压力对接触电阻大小之必然影响是,接触面积增加,则接触电阻减小。另外,接触阻力的稳定性同样通过两种影响随着正压力之增加而增加。首先,增加之磨擦力提高了接触面的机械稳定性,以及随之产生的对抗端子接触面不稳定之阻力。其次,如将在
从以上之阐述可以看出,正如Whitley和Mroczkowski所论述那样,一个连接器的“最优化〞正压力来自于较高正压力对机械性能所带来的不利影响与端子磨擦力有利影响间之权衡。在大多数例子中,“最优化”被译成“最小化”以着眼于使不利之影响最小化。要理解这种权衡需要考虑对接触阻力之影响。两个因素必须加以考虑,正压力需要建立接触面,并且需要保持接触面之稳定性。建立接触面需要产生一个足够的金属接触区,——如果必要,通过破坏或移走表面之氧化膜或污物。在通过要求数量之配合周期后仍保持表面保护层之完整性之前提下,接触面之稳定性来源于通过增加磨擦力而保证之机械稳定性。
来自于Whitley和Mroczkowski二人之图6.6显示,对于镀金之接触表面保护层,
简单说来,但不是简单量化,正压力之要求由在连接器操作环境中的机械及热条件下保持端子接触面完整性之要求所决定。
如果在一个连接器中,理想的情况是将正压力“最小化〞,那么产生正压力之机械就会变得令人感兴趣。除此之外,对于在连接器应用过程和使用寿命中保证正压力稳定性有重要作用之设计因素,是值得讨论的。这些影响稳定性之因素将会进行一些细节讨论,但为了做这项工作,必须对在连接器中正压力是如何产生的进行讨论。
6.3 端子正常作用力及端子设计
在连接器里,端子正常作用力主要来自于两连接器插接时插座之端子梁因与插头配合产生的位移,该位移产生的弹性恢复力就是端子正常作用力。
材料性能是决定端子正常作用力的基础,其性能指针是伸长(或称弹性)系数和弹性极限或屈服强度。为方便起见,图6.7根据应力与应变曲线指出这几个性能指针,伸长系数是应力与应变曲线线性部分或称弹性变形区的斜率,因此其亦称弹性系数;弹性极限强度是指某一临界点,于该点之前应力与应变停止线性关系,而此时塑性变形即将开始;屈服强度是使塑性变形进行到某一定程度时之作用力,在绝大多数情况下,屈服强度被指定为产生0.2%或其它定值之残余变形所需的作用力。下面我们将要讨论的是已知端子梁之几何形状如何将应力与应变曲线转换成力与位移曲线。
假如把端子近似视为一悬壁梁,遵循图6.8之注释,可得出有关端子正常作用力和梁设计参数之等式
F=(D/4)*E*[W*(T/L)3] , (6.2)
其中 D==梁位移量
E==材料弹性系数
W==端子起拱处宽度
T==端子起拱处厚度
L==端子起拱处长度
该等式包括三个要素﹕梁位移(设计选择)、弹性系数(材料参数)和端子拱起处之几何形状(亦为设计选择),其中每个要素都是独立的,且据不同之考虑导出。由Lowenthal et al.报告的将上述等式运用于工程中,为端子承受正常作用力之连接器设计或材料选择提供了理论依据,该研究中端子之几何形状与图6.4d所示相似,其具有两个独立端子梁,其中每一个端子梁可视为简单的悬壁梁,如6.2式所述。图6.9摘自参考3,其为铜合金之选择提供了端子正常作用力和梁位移之关系(如6.2式所述)。以下讨论将只限于下面三种材料﹕C51000(磷青铜)、C72500(铜镍锡合金,725合金)和C17200(铍铜)。这些合金的材料特性如图6.9和图6.10所示,其它合金材料特性均罗列于参考3。梁之弹性率和正常作用力与位移之比例由下式可看出
F/D=(E/4)*W*(T/L)3 (6.3)
该弹性率对应于图6.9所示的正常作用力与位移曲线之初始斜率,且该斜率的变化趋势与材料弹性系数的计算结果相类似,这就是早期将形状一定的端子的作用力与应变曲线转变成力与位移曲线的依据,此三种合金的斜率数725合金最大,铍铜次之,磷青铜最小。
端子之工作范围设计应包括位移从0.0025英寸至0.05英寸(0.0635毫米至0.127毫米)之范围内,如6.2式所示,与其它两种材料相比,磷青铜端子所受的最小正常作用力(最小位移对应的力)较小,这主要取决于其较低的弹性系数,根据6.2式,端子梁的位移一定,如果要得到较大的正常作用力,可通过改变端子梁的几何形状而获得,正常作用力与梁宽度呈线性关系,而与梁长度和厚度则呈立方关系,为提高正常作用力可改变上述每一个参数。
本文关键字:连接器 经验交流,电工技术 - 经验交流
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