一篇文章教你認(rèn)識(shí)連接器的核心
發(fā)布時(shí)間：2022-03-23 22:58:21點(diǎn)擊:782
隨著連接器可靠性要求越來(lái)越高，連接器的端子作為決定連接器電力和信號(hào)傳輸性能的關(guān)鍵組件，往往是連接器設(shè)計(jì)的重中之重。大家一般對(duì)連接器的插拔力、保持力有所了解，但是正向力作為連接器的另一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，往往大多數(shù)人不太了解。本文將為你詳細(xì)介紹什么是“正向力”。
一、正向力定義
正向力（英文：Normal Force）主要來(lái)自于兩連接器插接時(shí)插座的端子梁因與插頭配合產(chǎn)生的位移，由該位移產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力就是端子正向力。
圖1：插針與插座配合示意圖（F表示正向力）
圖2：端子受壓產(chǎn)生位移示意圖
二、正向力影響因素
正向力與接觸電阻有什么關(guān)系了？從圖3我們可以直觀看出隨著正向力增大，接觸電阻變小，在100g力時(shí)接觸電阻趨于穩(wěn)定，保持在5mΩ。
圖3：正向力和接觸電阻
正向力對(duì)于連接器的影響是多個(gè)因素的，包括插拔力，磨損，接觸彈性部上的壓力（彈片應(yīng)力），連接器殼體上的壓力（塑膠應(yīng)力），接觸電阻。增加正向力對(duì)以上前四項(xiàng)產(chǎn)生不利影響，而只對(duì)一項(xiàng)產(chǎn)生緩和因素。增加正向力提高了磨擦力，也增大了插拔力及磨損率。緩和因素是增加磨擦力同樣提高了端子接觸部的機(jī)械穩(wěn)定性，這是一個(gè)有利的因素，因?yàn)樗鼫p少了接觸面的潛在不穩(wěn)定性，降低了它在端子接觸面或其附近出現(xiàn)腐蝕性物質(zhì)或污染影響的敏感程度。增加正向力使得在端子彈性部上的壓力變大，這樣反過(guò)來(lái)也對(duì)連接器殼體產(chǎn)生一個(gè)更高的壓力，在連接器殼體上的高壓力導(dǎo)致殼體更易發(fā)生變形，這樣可能影響彈性部的固持位置，進(jìn)而影響正向力。從這一點(diǎn)來(lái)看，顯示出增加正向力總的來(lái)講對(duì)連接性能產(chǎn)生不利影響。
然而增加正向力卻可以抵消這些不利影響，正如圖3所示，接觸電阻隨著正向力增加而減少。增加的正向力對(duì)接觸電阻大小的必然影響是，接觸面積增加，則接觸電阻減小。另外，接觸阻力的穩(wěn)定性同樣通過(guò)兩種影響隨著正向力的增加而增加。首先，增加磨擦力提高了接觸面的機(jī)械穩(wěn)定性，以及隨之產(chǎn)生的對(duì)抗端子接觸面不穩(wěn)定的阻力。其次，在端子區(qū)域里的這種增加同樣提高了接觸面的抗腐蝕能力。一個(gè)連接器的“最優(yōu)化”正向力來(lái)自于較高正向力對(duì)機(jī)械性能所帶來(lái)的不利影響與端子磨擦力有利影響間的權(quán)衡。最小正向力必須能夠保證氧化膜之破壞和端子接觸面在不同應(yīng)用環(huán)境下的穩(wěn)定性。
三、材料性能和正向力
材料性能是決定端子正向力的基礎(chǔ)，假如把端子近似視為一懸臂梁（梁的一端為固定支座，另一端為自由端），如圖4，根據(jù)懸臂梁理論，可得到端子的正向力計(jì)算公式。
（公式1）
圖4：懸臂梁模型
其中D=梁位移量,E=材料彈性系數(shù),W=端子寬度,T=端子厚度,L=端子長(zhǎng)度
該等式包括三個(gè)要素﹕梁位移、彈性系數(shù)和端子的幾何形狀，其中每個(gè)要素都是獨(dú)立的。當(dāng)材料選定后，材料厚度T,材料的彈性系數(shù)E即固定不變，可以通過(guò)改變端子的幾何形狀來(lái)調(diào)整正向力的大小，并進(jìn)而控制端子接觸面間的電阻，以確保電力傳遞及信號(hào)傳遞的穩(wěn)定性。
四、正向力的損失
對(duì)于連接器的失效，正向力的損失，會(huì)造成端子接觸界面的機(jī)械穩(wěn)定性降低。正向力損失主要有兩個(gè)方面：永久變形和應(yīng)力松弛。
永久變形是指端子梁由于塑性變形而偏離原始位置，查看公式1，永久變形造成梁偏移D減少，因此正向力降低。
對(duì)于偏移，有一種是設(shè)計(jì)偏移的塑性變形產(chǎn)生的，還有一種是插拔過(guò)程中的過(guò)應(yīng)力，通常是因?yàn)椴徽_的插拔引起的。
應(yīng)力松弛的結(jié)果是應(yīng)力的減少，導(dǎo)致正向力的減少。端子在正向力作用下會(huì)發(fā)生彈性變形，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。懸臂梁上的正向力F與應(yīng)力σ間的計(jì)算公式如下：
（公式2）
公式表明了任何的應(yīng)力減少都會(huì)導(dǎo)致正向力的減少。就連接器而言，我們可以定義為在連接器使用期間，隨著時(shí)間的延續(xù)，正向力會(huì)以一持續(xù)的偏差而削減。換句話說(shuō)，僅僅是由于端子懸臂梁受到了因其配合偏移而產(chǎn)生的應(yīng)力，而其所受正向力的削減可看作是時(shí)間和溫度雙重作用的結(jié)果。當(dāng)連接器的工作溫度升高，此時(shí)應(yīng)力松弛就更為明顯了。圖5論證了其關(guān)系。當(dāng)懸臂梁位于其最大偏差0.005 英寸時(shí)，在96小時(shí)內(nèi)，正向力會(huì)隨著溫度的升高而減小。
應(yīng)力松弛是不可避免的，只能控制，應(yīng)力松弛的速度與設(shè)計(jì)選擇的材料和施加的應(yīng)力以及應(yīng)用的環(huán)境溫度相關(guān)，應(yīng)力松弛依賴于時(shí)間和溫度。
圖5：溫度與正向力關(guān)系
五、正向力測(cè)試介紹
正向力測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)EIA-364-04（Normal Force Test Procedure for Electrical Connectors）。
常用測(cè)試設(shè)備：連接器插拔力試驗(yàn)機(jī)。
目的：測(cè)試連接器母端彈片的位移-力對(duì)應(yīng)值，就是連接器母端彈片下壓多少毫米對(duì)應(yīng)的力值。
圖6：連接器插拔力試驗(yàn)機(jī)
注意就連接器組成的情形而言，若測(cè)試方向受塑膠本體屏蔽阻礙，則須破壞連接器塑膠本體，但是不要?jiǎng)佣俗釉紛A持固定性能為原則。
圖7：剖開(kāi)的連接器
圖8:根據(jù)設(shè)計(jì)位移執(zhí)行測(cè)試
圖9：繪制位移-力曲線圖
六.總結(jié)
綜述連接器正向力是連接器的重要參數(shù)之一，我們?cè)谠O(shè)計(jì)選型的時(shí)候要關(guān)注。連接器使用時(shí)其接觸可靠性與正向力成正比，提高正向力可以減小接觸電阻，可以改善連接器振動(dòng)時(shí)信號(hào)瞬斷問(wèn)題，但是正向力過(guò)大，將使連接器插拔力變大，端子變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力對(duì)其疲勞壽命也將產(chǎn)生不利影響。最優(yōu)正向力取決于受影響因素的平衡。只要能保證接觸電阻和界面穩(wěn)定的要求，正向力越小越好。根據(jù)業(yè)界常用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，鍍金接觸區(qū)設(shè)計(jì)值建議在50~100gf 。鍍錫表面作可分離界面為了減少磨損腐蝕，會(huì)加大正向力，設(shè)計(jì)值一般要求高于150gf。選擇合適的材料和幾何形狀是基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)不斷調(diào)整參數(shù)，結(jié)合測(cè)試驗(yàn)證，取的最優(yōu)正向力。
壯壯優(yōu)選目前已積累了大量連接器DPA（物理破壞性物理分析）分析經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)各種技術(shù)手段，來(lái)識(shí)物料的固有可靠性隱患和使用風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)物料的物理可靠性進(jìn)行整體評(píng)估，如果您有連接器的認(rèn)證需求，壯壯優(yōu)選可幫助您進(jìn)行專業(yè)可靠的分析。
來(lái)自網(wǎng)絡(luò)素材
- 惠州市田合電子有限公司-05
- 沒(méi)有了！
