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作者:徐元展 (2000-06-30),核可:徐業良 (2000-07-14)
附註:本文為八十八學年度元智大學機械工程研究所徐元展碩士論文第一章。

電子連接器設計之機械性能考量

本章的內容首先簡單介紹電子連接器(electronic connector)的功能、種類以及構造,接著討論談到連接器設計上之機械性能考量,特別是連接器中的接觸彈簧(contact spring)的機械性質對連接器性能的影響,了解接觸彈簧在設計上所會碰到的問題,最後提出解決此設計問題之方法架構。

1.1 電子連接器的功能及種類

電子連接器的功能在提供一可分離的介面,來連接電子系統內部的兩個子系統,使能順利的傳輸訊號或電力。如圖1.1所示,連接器的型式可分三種:電路板對電路板、纜線對電路板、以及纜線對纜線[Mroczkowski, 1994]。如圖1.2所示,連接器內包含了四個元件:接觸介面(contact interface)、接觸端(contact finish)、接觸彈簧、和連接器塑膠外罩(connector housing)。其中接觸彈簧為最關鍵的元件,接觸彈簧所提供的正向作用力為電子連接器設計上的一項重要參數。

1.1 連接器的型式[Mroczkowski, 1994]

1.2 連接器構造[Mroczkowski, 1994]

1.2 接觸彈簧機械性質對電子連接器性能的影響

在連接器組合時,由於接觸彈簧的撓性,會在接觸介面上會因產生正向接觸力(normal contact force),此力要能夠在電子系統在運作時,維持接觸介面的穩定,讓訊號或電力順利傳輸,不受一些機械干擾的影響,除此之外,連接器介面的接觸電阻值也和正向力的大小有關。當兩個金屬平面相觸碰時,接觸面積會變小,因此電流的流動便會受限於這狹小的接觸面積,而使得電阻增加,稱作「壓縮電阻(constriction resistance)」,可表示成[Wager, 1971]

                                                                                      (1.1)

其中為壓縮電阻值,為電線本身的電阻,為材料的硬度,而為接觸介面上的正向接觸力。由式(1.1)可以看出如果要降低壓縮電阻,則需要有較高的正向力。

除了電阻的考量之外,先前提到電子連接器也需要足夠的正向接觸力以維持接觸介面的穩定,在一般的狀況下,連接器需要能提供至少100g的正向力以確保使用的穩定性。如何設計電子連接器中的接觸彈簧,使能提供足夠的正向力,是連接器設計上的重要問題,SawchynSproles[1992]便曾針對連接器中的接觸彈簧,以不同的幾何參數作實驗,測量不同設計下的正向力。如圖1.3所示,實驗結果顯示接觸面幾何形狀設計的較尖銳者能提供較高的正向力。

1.3 接觸彈簧不同的接觸面幾何形狀[Sawchyn and Sproles, 1992]

除了正向力的考量之外,在現今積體電路與印刷電路板(printed circuit board, PCB)所使用的連接器上,經常設計了數以百計的接腳,也因此產生在以連接器組裝時有高插入力(insertion force)的困擾。過高的插入力除了造成組裝的困難外,也可能會在電子構裝上產生機械破壞。然而接觸彈簧之正向接觸力與插入力的關係很密切,如果要重新設計接觸彈簧的幾何形狀以降低插入力,則正向接觸力也同時會同時被降低。因此連接器的製造廠在設計連接器時,往往有同時需要高正向接觸力與低插拔力的矛盾。

1.3 電子連接器接觸彈簧之最佳化設計

如何設計電子連接器中的接觸彈簧,使其同時具有高接觸力和低插拔力,是一個典型的最佳化設計問題。對於這個問題,也有學者提出另一種不需要接觸彈簧的設計概念,不需要犧牲正向接觸力而減低插入力,此種設計稱作「零插入力(Zero Insertion Force, ZIF)連接器」[Bertoncini, et al., 1991; Chikazawa, et al., 1990; Engel, et al., 1989]。圖1.4為主機板上常見的中央處理器(CPU)的插槽便是一種ZIF連接器,旁邊有一槓桿,在CPU插入後才將槓桿壓下,插槽內部則會把CPU接腳夾持住以提供正向力。然而為了節省主機板的空間,以接觸彈簧設計為主的電路板對電路板連接器仍然廣泛的被應用。

1.4 Socket插槽

結構型態最佳化設計一直是一個活躍的研究領域,主要目的是結合幾何模型、有限元素分析、以及最佳化理論來進行結構整合的設計。Sehring[1990]也曾建議結合有限元素分析技術與最佳化設計理論,來進行電子連接器的設計。本研究的目的便是在做電子連接器中接觸彈簧之形態最佳化設計,使接觸彈簧能夠具備低插拔力,適用在更小型、更多接腳的連接器,同時也能滿足正向力、應力、幾何形狀等限制條件。

本論文的的架構,首先蒐集連接器相關的研究與連接器的機械性質探討,並取得一目前在生產使用的接觸彈簧設計,來建立有限元素的分析模型。接著決定彈簧接觸力與插入力的分析方法與邊界條件設定,並進行分析,然後與實際實驗結果相互比較以調整有限元素模型參數的設定。在確定有限元素分析結果與實際相同後,則可以建構最佳化的數學模型進行迭代,尋找符合設計需求的最佳設計。

參考資料

Bertoncini, D., Sitzler, F., and Werbizky, G., 1991. “Development of a ZIF connector design,” Connection Technology, v 7, p 31-34.

Chikazawa, T., Lim, C.K., Luu, H.V., Toda, M.D., and Vogelmann, J.T., 1990, “Sensor technology for ZIF connectors,” Journal of Electronic Packaging, v 112, p 187-191.

Engel, P.A., Nemier, S.E., and Toda, M.D., 1989. “Stress and tolerance analysis for zero insertion force (ZIF) connector,” Journal of Electronic Packaging, v 111, p 9-15.

Mroczkowski, R.S., 1994. “Interassembly and intersystem interconnect,” in Hannemann, R.J., Kraus, A.D., Pecht, M. ed., Physical Architecture of VLSI Systems, Chap. 5, John Wiley & Sons, Inc.

Sehring, J.F., 1990. “Electronic connector design optimization using finite element analysis techniques,” Connection Technology, v 6, p43-45.

Sawchyn, I., and Sproles, E.S. Jr., 1992. “Optimizing force and geometry parameters in design of reduced insertion force connectors,” IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, v 15, p 1025-1933.

Wager, H.N., 1971. “Principles of electronic contacts,” in Physical Design of Electronic Systems, v 3, Chap. 8, Prentice-Hall.