連接器教室 - 連接器各零件設計重點



1. Housing
☆ 連接器的主結構。
☆ 其它各零件靠它決定空間定位。
☆ 導體零件間的絕緣功能。
☆ 尺寸規劃須兼顧成型性。
☆ 選材料須顧慮客戶的制程條件。
☆ 因應用段需求而須限制模具進膠口者，須注明於圖面上。
它是整個連接器的主體構件，其它的零件往它身上組裝。它大致決定連接器的外觀尺寸，需確認其結構強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格(例如:要求施加各方向的力於外接cable，不能看到破壞；或是安裝螺絲時，施加適當的扭力不能造成破壞)。
既然是主體構件，自然肩負各零件定位的責任，因此與其它零件互配
部位的尺寸與公差(包括幾何公差)需拿捏適當。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製作，則可設定尺寸公差+/- 0.02 mm，以確保功能。其它如正位度、平面度、輪廓度等幾何公差也要適當運用，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
量來產生端子力學行為上的邊界條件(例如懸臂梁式端子的fixed end )，進而在公母座配接時產生適當的正向力，同時避免退pin 的情形發生。因此端子與housing 的干涉段尺寸與形狀拿捏必須非常小心。適當的端子倒刺形狀以及干涉量，才能得到適當的端子保持力，又不至於因干涉過大造成housing 變形或破裂。
在電氣功能方面，housing 肩負各導體零件之間的絕緣功能，以一般工程塑料阻抗值而言，只要射出成型做得到的厚度，後續加工過程又沒有造成結構破壞，則塑膠產生的絕緣阻抗與耐電壓效果都可符合規格要求。只有在吸濕性非常強的材料或是端子壓入造成塑膠隔欄破裂的情況下，可能發生塑膠部分的絕緣阻抗或耐電壓不合格的情形，否則該擔心的多半是裸露在塑膠之外的導體零件之間的絕緣效果，因為空氣的絕緣效果遠不及工程塑料的好。
Housing 的設計除了考慮上述的功能性，也須考慮射出成型的製造性，太厚或太薄或是厚薄不均都不適合，太厚則縮水嚴重，太薄不易飽模，
厚薄不均則液態塑膠充填時流動波前不平衡易造成冷卻翹曲。通常制工負責畫好具備零件功能性的模型交給塑模模具設計工程師，模具工程師會依經驗判定該在何處加上什麼樣的逃料以改善成型性，但是若原始設計的肉厚實際尺寸已經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整，制工應避免此種情形發生。模具工程師做好逃料的規劃後，應該與制工確認逃料後的結構強度是否仍符合功能性的要求(有時在裝配上其它零件之後會有補強結構的功效，應一併考慮，例如:鐵殼剛性夠好，則經過鉚合於housing上，整體剛性便已足夠)，確認後再進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分高溫料與低溫料。一般notebook 使用的連接器皆須經歷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外掛程式的真空吸取區，因此須避免在該處安排進膠點或是模仁接合線，以免真空吸嘴失效。
Housing 的底面設計要注意，避免壓到PCB上塗的錫膏，以免造成pad間的短路，因此而有standoff 的設計。此外，standoff 有另一功能，就是提供SMT type solder tail調整共平面度的基準，也可藉調整各standoff 的高度來補償housing的翹曲變形。
2. Contact
☆ 電訊傳遞的橋樑，可做signal or power 的傳遞，也可藉後縮短端子做detection以確認公母座是否配接完全。
☆ 須確認其力學行為，提供適當的正向力、公母配的插拔力、保持力、並且保持在彈性變形範圍內。
☆ 為確保電氣功能，尚須注意端子的尺寸、銅材與電鍍規格。
☆ 有長短pin安排時，須考慮生產組裝的便利性。
☆ 公母端子互配的wiping distance 要足夠。
☆ 公母接觸區以及SMT 焊接區須避免下料毛頭，必要時coining 成球面以免刮傷接觸表面。
☆ SMT tail 的形狀與尺寸安排恰當。
☆ fine pitch insert molding 的產品，要避免塑膠包覆到端子的鍍錫鉛區，以免發生熔錫短路的情形。
☆ 彈性端子在懸臂根部附近應避免大角度、小半徑之折彎，以免因折彎產生的裂紋影響端子的壽命。
☆ through hole type 端子焊腳的pitch不可太小，否則客戶的PCB製作或lay線會有問題。
連接器的功能主要就是靠端子將電訊從一個電路系統傳到另一電路統，因此公母連接器配接之後，須確保公母端子有對號入座並產生良好的電氣導通。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微的點接觸，單靠零星的細微點接觸，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電性佳，因此接觸面的正向力有20 gf 便可高枕無憂，但是設計者須有公差的觀念，不可將設計的公稱值定在20 gf，建議設在大約40 gf左右。因為一般I/O 連接器的插拔壽命定在數千次，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束時仍保有適當的接觸正向力，在端子的選材上，C5210 比C5191 不易降伏。此外，端子的接觸區鍍金膜厚也必須能承受數千次的磨耗，通常，須耐5000 次插拔的docking conn. 與module conn. 在接觸區鍍金皆為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引斜面不可太陡，一般設計在40 度角以下。
端子的保持力規格設定，因連接器經過SMT高溫後會有保持力降低的情形，因此在生產線上抽測保持力時，要求的規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體阻抗，這就取決於端子的材料、尺寸。黃銅導電性佳但是機械特性差，只適合做公端子；磷銅導電性較差但是彈性較好，可用以製作彈性母端子；鈹銅兼具彈性好、導電性佳的特性，但是材料貴、取得困難又有環保的問題。端子尺寸設計好之後，便可依截面積變化情形分割成數段，分別估算其導體阻抗後累加起來，再加上適當的接觸面阻抗，便可概略估算產品的LLCR值。若是產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，這也取決於端子的材質與截面積，截面愈大則單位長度的阻抗愈小，通電流所產生的熱量愈少，則端子溫度上升幅度較小，也就可以傳導較大的電流(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設定值不可太短，一方面是為了確保清除表面汙物的效果，一方面也是為了包容自家的製造公差以及客戶系統的機構公差，一般設計，最短的端子也要有1.0mm的wiping distance才保險。
長短pin的設計，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，就代表其它的訊號端子都已接通(因此偵測端子須安排在框口兩端)。考慮產品的製造公差，長短pin 的尺寸差異要適當，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，則產品的尺寸會因而變大。長短pin 的位置安排，除非客戶因其它電性功能需求而須指定位置，否則應考慮廠內組裝的便利性，因為不論是靠連續模直接沖出長短pin 或是經過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，因此應該儘量將長或短pin 等較特殊的端子安排在同一排端子料帶上(有些產品例如docking connector 是由八排端子料帶安裝而成，則應避免長短端子散佈在八排料帶上)。
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。否則即使模具設計杯口上表面為剪切面沒有毛頭，但是經過折彎成杯口時，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，磨耗問題仍然嚴重。
SMT產品的焊腳設計，在水準段最好有一個Z字形折彎以避免焊點上過大的熱應力，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直接與鍍金區相連，以免于SMT制程中發生溢錫(solder wicking)的不良情形。當產品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，這時就應考慮insert molding(夾物模壓)的方式。採取此方式在端子方面要注意兩點:
(1).在塑模內的封料部分的端子寬度尺寸要控制在0.03mm(正負一條半)的變異範圍內(連電鍍層的厚度都要考慮進去)，以免過寬遭模具壓壞或是太窄出毛頭。另外封料段應該是平面段，避免在折彎曲面上封料。
(2). insert molding 時，高溫液態塑膠流經端子表面，溫度可能高於攝氏300度，會造成端子表面的錫鉛熔化而隨塑膠向下游流動，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延伸到塑膠覆蓋區內。
彈性端子在公母配時，內部應力最大的地方在懸臂的根部，應該避免
該處附近有任何應力集中的情形，折彎半徑太小所造成的裂紋是嚴重的應力集中處，應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，以免發生裂紋。有些端子設計為電鍍後做二次折彎再進行裝配，二次折彎點應該為鍍錫鉛區所涵蓋，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，常在端子壓到定位後，治具向後
退開時又發生端子向後退出一些的情形，因此最好不要設計成端子靠肩(治具推端子的施力點)與housing後表面切齊，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應該錯開成多排以增加PCB 孔間距。
3. Spacer
spacer主要是將端子的tail做精確的定位，以方便客戶將connector外掛程式於PCB上。若空間容許，可設計成浮動式的: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尖端的正位元度最准，客戶直接對準PCB 孔位元插入，插入過程順便將spacer向上推至定位。設計時要注意如何使spacer穩固的定位在下死點，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，因為產品檢驗有類似插板的動作，因此也要設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對準各排端子tail而安裝入housing。設計的概念是要靠spacer將端子校正，但是曾經發生歪斜的端子不但沒被校正反而將spacer帶歪了的情形，當時的對策是將spacer中的端子孔形狀修改，讓平直段的長度縮小到0.2~0.3mm，其餘長度都做成上述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)，那麼端子施給spacer的反作用力(也是point force的集合)就不容易造成spacer翻轉歪斜。以docking conn. 產品的spacer 而言，階梯狀的設計，具有保護端子的功能，因為階梯狀使端子外露於塑膠之外的部分縮小，作業員取放時，比較不容易捏壞端子(此為客戶的使用經驗)，但是伴隨而來的影響則是端子散熱的效果較差、產品總重量較重(曾有客戶抱怨我們的產品比AMP的多了6~7克)。Spacer底面的standoff 設計不可省，否則必定造成壓錫膏的問題。Standoff 的高度至少要0.15mm。
4. Shell
shell 的功能包括:機構方面有結構補強、公母座配接框口界定、連接器於PCB 的定位、分擔外力等功能。電氣方面有EMI遮蔽、ESD接地甚至有當作power傳輸的通路。以上功能除了必須確保shell與housing穩固的接合，尚須做好shell與PCB的接地導通。
Shell的構造分兩種，一是以抽引方式成型，一是以折彎包覆方式成型。前者的結構剛性較佳，但是模具技術較高，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。衝壓工程師在抽引模具開發時，初始設計依制工設計的零件R角尺寸製作衝子，但是往往在試模時因為發生材料破裂便自行將衝子的R角加大，最後是順利抽引出鐵殼，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角可能都比設計尺寸大多，結果就是鐵殼套到housing上會發生干涉而套不到底或是公母鐵殼在互配時發生干涉而配不到底。因此最好在這兩個地方預留較大的間隙，並且在設計審查會議中特別提出請衝壓單位仔細評估確認可行性。折彎包覆式鐵殼的設計，應注意接合處的平整度與結合強度，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後沖的製造方式，也較能夠在鐵殼結構上多做變化，例如:框口前緣可以向外翻出導引斜面，使blind mating容許的初始偏心量較大；也可以在框口上設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。
公母鐵殼互配後必須使兩者做電氣導通，使連接器兩端的系統電路接
地電壓成等電位，同時也讓鐵殼的EMI遮蔽效果發揮，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。
至於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過其它金屬零件連接到PCB，例如經過車件的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並將它疏通到接地去，發揮其ESD防護功能；或是確保公母配時鐵殼最先搭接，也就使兩個電路系統的GND 最先接通，以滿足某些系統設計的需求。因為鐵殼是最前線，最容易被使用者觸及，應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的導電性有密切關係，因此應儘量選擇導電性較好的材料，像不銹鋼就不適合，因為其導電性不好。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生磨損痕跡。
5. Board lock
board lock的功能是確保連接器插板後能平貼PCB，並且在後續系統成品應用中分攤一些外力，有時也肩負鐵殼接地的責任。通常設計時最重要的就是在插板力最小(插板力太大則客戶在SMT制程中無法自動外掛程式)的情況下有適當的抓板力，同時又能包容PCB的孔徑與板厚等尺寸公差。為了共用於兩種板厚尺寸的PCB，AMP有一種設計的專利，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孔內壁以產生足夠的摩擦力，防止退出，切記不可侵犯此專利。因為產品不會多次插板又拔出，因此並不需要將board lock設計成完全彈性變形，但是最好請工程分析幫忙確認設計尺寸對應的插板力與抓板力，以免不停設變。
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，一般反應是hook type 尺寸較穩定，插板時也比較不容易將整個PCB孔內的錫膏推出掉落，較受客戶歡迎。
Board lock若需分攤應用時的插拔力或其它外力，則其位置就相當重
要，設計原則是當外力產生時，board lock 能及早分攤大部分的外力，例如當外力作用在housing上，產生一個杠杆效應，支點可能在PCB的前緣，或是在housing 的後緣，這時就要考慮清楚，board lock 究竟該放在何處，才能分攤掉大部分的外力。當然，board lock 與housing間的結合強度要足夠，否則後果就是board lock 還牢牢的留在原處，但是housing & contact 已經被外力推移到破壞。
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構，
若是前者，則常常需要再花心思如何讓鐵殼與board lock導通，以便讓鐵殼接地，發揮隔離EMI或是疏通ESD的功能。在docking conn.的設計上，常用車制的nut穿過board lock,housing,shell然後將前緣鉚開，達到組合固定以及導通橋樑的功能。Nut 前緣要鉚開，局部的應變非常大，一不小心就容易發生鉚裂的情形，一般採用表面鍍錫處理，比較有延展性，同時配合適當的管壁肉厚以及鉚合深度，應可避免鉚裂的情形。此一鉚合用的nut一般又有另一功能，就是提供一個內螺紋供導位用或固定用車件旋轉配入，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，housing必須有機構特徵來固定nut以防止其旋轉。須確認housing結構夠強，不會被nut的旋轉扭力破壞，或是頂出新的standoff。
客戶圖繪製重點
1. 儘量將尺寸圖、layout、規格與BOM都放在同一張圖面上。
2. 產品尺寸標注，以客戶應用需要知道的尺寸為主，不需要標示的就不必多此一舉，以免客戶拿來作為檢驗專案，徒增困擾。公差方面，建議斟酌廠內製造能力來標示，不要一味保護自己，標一些大得不合理的公差，以免客戶比對尺寸圖與layout 圖，一下就發現worst case無法插板之類的問題。
3. SMT type 產品的solder pad 建議尺寸，應該考慮當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寬度尺寸的考慮亦然。
4. 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。
5. Board to board connector 要記得標注板到板的距離，through hole形式的產品要注明適用的板厚範圍。
6. BOM 中的材質說明不必明確交代是何種銅合金或何種工程塑料，以免日後因力學問題或阻抗問題須改材料時又要更新版次。
連接器設計check list
1. 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 組件的尺寸。
2. 機械與電氣規格之確認，包括整體插拔力、端子正向力、LLCR、current
rating、耐電壓。
3. 產品在PCB上的定位效果。
4. 產品的包裝for auto pick and place。
5. 內部結構可靠度審核，
零件間的組合在六個自由度上的限制是否完備可靠。
零件的裝配性，導角、預裝效果、干涉量、間隙預留。
公母配的stopper。
母端子的活動空間是否足夠，會不會有簡支梁的問題發生。
母端子前端是否安全的躲在塑膠隔欄內？確認worst case 仍不會突出
隔欄，以免被頂垮。
如何確保成品的端子杯口高度？如何確保公端子平貼舌片？