1、,Frank DunleveyJohn TienTaiwan 13 August 2004,Contact Design接點設計-功能與可靠性Performance and Reliability,Frank DunleveyJohn TienTaiwan 13 August 2004,Contact Design接點設計-功能與可靠性Performance and Reliability,歐洲法規,RoHS (2002/95/EC)Restriction of Hazardous Substances ELV (2000/53/EC) End of Life Vehicles WEEE (2
2、002/96/EC) Waste Electrical & Electronic Equipment,沒 有 禁 止 使 用 鈹 銅 合 金,適用於2006年 7月 1日 後販賣於歐洲的產品促進與鼓勵 component recovery 容易的產品的設計鼓勵撤除和回收廢棄不用的設備需要全面性的公佈產品組成 (所有金屬及塑膠)限制/禁止使用 :Hg, Cd, Pb, Cr(VI), PCB, PCT, PBB, PBDE,國際性法規,沒 有 禁 止 使 用 鈹 銅 合 金,EICTA-EIA-JGPSSI Material Composition Declaration Guide “Join
3、t Industry Guide”OEM 委託 - 自發性的有效性 :2005 (試驗性的)限制使用 : RoHS + 石棉,與有放射能的材料, ODSEEE中需要公佈超過門檻限制的物質成份 需報告金屬組成的門檻是 0.1% (1000 ppm) (Ag, As, Au, Be, Bi, Cu, Mg, Ni, Pd, Sb, Se, Sn),鈹銅加工,四個連接器的製造者,在一般的鈹銅製程中由空氣檢驗的結果來測量鈹的暴露 . 並將 189 次的生產中測量 測試結果與OSHA 許可的暴露濃度2 g/m3 來做比較.,鈹銅加工,製程 測試次數 測試結果測試 2 g/m3 (g/m3 of Be)沖
4、壓 49.0048-.0170模具保養 27 .0045-.0200翻滾去邊 4 .025 - .0840熱處理 9.0740電阻式焊接 8.0050化學清洗 14 .0044-.0420電鍍21 .026 - .180組裝 14 .0048-.120檢驗 17 .0190出貨包裝 17 .00570廢水處理 9.0038 -.0960背景.001 - .01,鈹 銅,鈹銅只有在空氣中形成粉塵 (10 m)時是有害的. 儲存, 材料處理或加工的鈹銅零件並沒有問題.黃銅,青銅,鋁,不銹鋼有同樣的危害. 沖壓, 熱處理, 電阻式焊接, 清洗和電鍍操作是安全的.鈹銅廢料是可回收的.鈹銅在世界各地並沒
5、有被禁用.Brush Wellman公司可對環保議題提供需要的資訊和支援.,接點(Contact)是一個導電性彈片可分離的界面結合產生正向力提供電流通道接點被設計成擁有低的和穩定的電阻,而經由接點訊號變異也必需可被接受接點擁有結構與功能上的特性,接點設計,接點設計,功能電性界面材料 (電鍍, 嵌鑲)需要的接觸力,結構機械性彈性合金實際的接觸力,失效的連接器,電線牽引,常規性元件,感測器,控制器,汽車上的電性失效,68% 的失效是由連接器造成的,VW Germany 02,(接點, 插座, 固定座),失效的連接器,2003年共生產出660億的連接器.以99.99%的可靠度來說(100 ppm 不
6、良品),有7百萬個會在使用中失效.大多數的失效都是可預期和可避免的.,失效的連接器,高電阻* 腐蝕* 工廠中損壞 使用中損壞 磨耗與磨蝕* Termination(Crimp) 未知原因* ,電腦,周邊,通訊,家電,汽車,航太,* 接觸電阻有關的失效,接觸點的性能決定於低的, 穩定的接觸阻抗低的接觸阻抗決定於接觸力 - Holms Theory,接點設計,接點設計,Holms Theory - 接觸阻抗,接觸力,阻抗,Stable Operation,接點設計,Bulk Resistance,Film Resistance Effect(Rf = ),Constriction Resistan
7、ce Effect(Rc = ),f t H,F,4 F,c , H,(Rb = ),b L,A,Holms Theory - 接觸阻抗,接觸力,阻抗,Holm,Au,需要的接觸力Example: 典型表面上的硬金,F,film t H,Rf,+, H 2,4 Rc,Rc L),(m L),W=width,(at bend),(at beam end),應力計算,計算的接觸力的正確性取決於橫桿中的應力大小等級當應力超過了降伏強度, 線性等式會變得不正確 可使用非線性近似法 可使用FEA,應力計算,If Smax 1.5 YS 請小心 !此數據與合金的特性有關,在橫桿中的應力,0,Smax,-S
8、max,應力計算,C,應力計算,線性 vs.非線性模型 線性Smax 降伏強度變形 - 局部降伏金屬內的加工硬化 近似法複雜的材料特性,應力計算,最大橫桿應力超過材料的降伏強度時Secant Modulus Technique 允許你估計接觸力和應力(非線性模式),Secant 係數,應力計算,W,L,t,d,(for any beam geometry),Secant 係數,應力計算,Secant 係數,Modulus,Stress,Variable modulusGeometric modulusDimensional modulus,slope = C,應力計算,Stress,Strai
9、n,Modulus = stress / strain,Slope = Youngs (Elastic) Modulus,YS,Secant 係數,應力計算,Stress,Strain,Slope = secant modulus,S2,S3,Secant 係數,應力計算,Modulus,Stress,Secant modulus,S2,S3,YS,Youngs Modulus,Secant 係數,應力計算,Modulus,Stress,Secant modulus,Variable modulus,S,Secant 係數,應力計算,Modulus,Stress,Secant modulus,
10、Variable modulus,S,S,Secant 係數,應力計算,Secant 係數的正確性,Modulus,Stress,No error,10-20% error,Invalid design &possible failure,5% error,(經由計算的力的誤差),J Johnson,應力計算,應力計算,接觸力的計算橫桿幾何形狀位移量彈性係數降伏強度 (成形性的限制)疲勞強度 (很多撓曲循環),Alloy UNS Common Name Composition 190 C17200 beryllium copperCu-1.8Be-.2Co 60 C17460 berylliu
11、m copperCu-1.2Ni-.2Be 199 C19900 titanium copperCu-3.5Ti 97 EFTEC 97Cu-2.3Ni-.5Si-.5Zn-.1Sn-.1Mg7025 C70250 copper nickel silicon Cu-3Ni-.7Si-.2Mg 727 C72700 copper nickel tin (MX-96)Cu-9Ni-6Sn 521 C52100 phosphor bronze CCu-8Sn-.02P 688 C68800 aluminum brassCu-23Zn-3.4Al-.4Co,銅合金彈片,彈性模組 (kN/mm2),19
12、0 60,彈性模組(楊氏係數),降伏強度,降伏強度 (N/mm2),成型性 (MBR/tL),goodformability,limitedformability,Ideal,降伏強度,降伏強度 (N/mm2),成型性 (MBR/tL),2,4,6,200,400,600,800,1000,1200,190,60,199,521,7025,727,688,90 Bend,390,97,降伏強度 (N/mm2),降伏強度,MBR/t = 4 MBR/t = 1,190 60,成型性,汽車連接器家電連接器數據/通訊 連接器EMI 彈片繼電器彈片電池接觸開關彈片,MBR/t,0,1,3,5,7,疲勞
13、: 由週期性的彈性 (小)位移, 產生了累積的, 局部性的裂縫成長而造成結 構的破壞.疲勞強度: 一定週期的彎曲下,造成彈性失效的最大應力.疲勞強度決定於:拉伸強度 (30% 的 UTS - 銅合金)應力狀態 (疲勞比, R)板材方向性 (異向性)操作溫度 (環境 +溫升)疲勞性能會因幾何上的應力集中而減少疲勞資料通常以 “S-N” 圖表示,疲勞強度,R = fatigue ratio = min stress/max stress (-1 R 1)Most fatigue data is for R = -1,失效週期(疲勞壽命),40,60,80,140,160,180,400,600,8
14、00,1000,1200,(ksi),R = 0,R = -1,Unidirectional Load,100,120,R = .5,Fluctuating Load,應 力(N/mm2),104,105,106,107,108,R = 0,R = -1,Reversed Load,R = .5,C17200 HTUTS = 1400 N/mm2,疲勞強度,疲勞強度 (N/mm2),190 60,疲勞強度,108 cyclesR = -1,est.,220,240,260,280,300,30,35,40,45,應力(N/mm2),C70250R = -1,TM03 (780 N/mm2 UT
15、S),TM02,106,107,108,失效週期,Stress(ksi),拉伸強度效應,TM00 (690 N/mm2 UTS),疲勞強度,300,60,應力(N/mm2),Stress(ksi),C17410 HTR = -1,104,106,108,失效週期,400,500,600,40,80,100,105,107,Transverse,Longitudinal,方位效應,Long.,Trans.,疲勞強度,接觸力的控制,造成接觸阻抗不穩的因素應力鬆弛 - 環境溫度, 歐姆式加熱, 電流脈衝永久變形 - 高位移量, 撞擊 /衝擊的負荷, 固定塑材的潛變, 熱澎脹腐蝕 - 大氣, 加凡尼腐
16、蝕, 磨蝕,電弧表面污染 - 磨耗碎片, 灰塵, 磨擦聚合反應, 潤滑劑的變質, 聚合物的凝聚電鍍層失效 - 磨耗, 底材的擴散, 中間金屬相的形成, 電鍍層剝落振動 - 環境, 彈跳,接觸力的控制,應力鬆弛 造成接觸力的逐漸下降 需要增加起始的接觸力 增加接觸阻抗 依賴於時間與暴露溫度 對方向敏感 報告如 “% 保持力” 基本的材料特性 需要測試,應力鬆弛,應力鬆弛的測試治具逐漸變細的橫桿 - 彎曲,8.5 cm,應力鬆弛,190 60,保持力 (%),125 C3000 hrUSCAR-Class 3,應力鬆弛,時間 (hrs),20,40,60,80,100,保持力 (%),100,10
17、00,10000,10,Brush 60,C52100,C68800,150 C,Brush 190,時間效應,應力鬆弛,時間 (hrs),20,40,60,80,100,保持力 (%),100,1000,10000,10,100 C,200 C,150 C,C52100 H,溫度效應,應力鬆弛,時間 (hrs),20,40,60,80,100,保持力 (%),100,1000,10000,10,100 C,200 C,150 C,C17460 HT,溫度效應,時間 (hrs),20,40,60,80,100,保持力 (%),100,1000,10000,10, H,XS,C52100 H15
18、0 C,Temper效應 (不可熱處理合金),應力鬆弛,時間 (hrs),20,40,60,80,100,保持力 (%),100,1000,10000,10,C17410 HT200 C,Longitudinal,Transverse,方位效應,應力鬆弛,接觸力的控制,Fend-of-life,Stress remaining,Finitial =,應力鬆弛為了補償應力鬆弛的效應,我們設計的起始接觸力必需增加要超過需要的 (產品壽命) 力,接觸力的控制,溫度上升電阻效應造成的溫升 (I 2R)低電阻 (高導電性) 合金產生較少的熱導電性隨溫度的升高而降低 (10-20% / 100 C)高溫會
19、降低材料的強度與剛性並加速腐蝕, 應力鬆弛, 永久變形,導 電 性,導電性 (% IACS),20 C,50,10,5,3,Resistivity ( cm),190 60,彈片的溫度升高可由產生的熱( I2R ) 和散熱的假想公式計算出for T 250C, radiation is not significant溫升影響了強度, 剛性和抗應力鬆弛性.,T =,I2 L2,2 k Ax2,T =,I2 L, h AxAs,(1- exp(-h As t / Cp V),steady state, with conduction,steady state, with convection,tr
20、ansient, convection,I2 L, h AxAs,T =,(1- exp(-k Ax t / Cp V L),transient, conduction,T =,I2 L2,2 k Ax2,I = currentt = current on timeh= heat transfer coefficientL = beam lengthAx=beam cross sectionAs=beam surface areaV = beam volume = electrical conductivityk =thermal conductivity = densityCp=specif
21、ic heat,導 電 性,快速循環和瞬間的電流脈衝會造成一些線路的開關加熱.“On” 循環電流脈衝可能大於10X 操作電流, 但是時間很短開關循環測試開關彈片10 x 2 x .1 mm週期1 sec. on, 1 sec. off 電流 2 amp steady state, 25 amp spike for .01 sec 溫度 (25週期後): 有電流脈衝 沒有電流脈衝,導 電 性,50,100,150,200,20,40,60,80,100,導電性 (%IACS),溫升( C),電流脈衝對開關溫度的影響,with current spike,without current spike
22、,導 電 性,Finsertion = 2 Fnormal ( ),sin + cos ,cos - sin ,.,插入力的控制,CAW and UAW require Finsertion 75 N, = coefficient of friction = entry angle,The 75 N max. insertion force can be achieved by 設計改變 材料選擇,插入力的控制,進入角度 (degrees),Fi/Fn,Change in Fi with Entry Angle, = 1, = .8, = .6, = .4,Au = .2-.3Sn = .6-
23、.7,插入力的控制,降低進入角度,2 - 片式的設計減少了進入角度而不會犧牲接觸力或需要較長的橫桿來補償,插入力的控制,Change in Fi During Insertion,Percent Insertion, = 1, = .8, = .6, = .4,Fi,插入力的控制,typical automotive: Fnormal = 2 N, = 25, = .6,在 75 N max情況下,應力鬆弛對 I/O 數目的影響,應力保持 I/Os 90% 12 75% 9 50% 6,由於較高的抗應力鬆弛合金需要較小的起始力,例如在75 N 插入力下更多的 I/Os 可以被設計到汽車內的插座
24、內,插入力的控制,降低插入力而不減少接觸力:設計 降低接觸角度 機構輔助 (ZIF or cam-drive) 潤滑(PFPE, 6-PPE)材料選擇 低磨擦覆層 抗應力鬆弛的彈性合金 高導電性的彈性合金,性能與可靠性,接觸力 = 可靠性高接觸力提供了接點低而穩定的電阻介面材料決定了需要的接觸力; 彈性合金提供了接觸力非線性力與應力很容易由預測的性能與可靠度計算出 影響接點性能與可靠性的重要彈片特性有:強度, 剛性, 抗應力鬆弛, 和導電性,剛性 有效的, 穩定的接觸力耐震動與跳動強度 高接觸力使用壽命長抗磨蝕許可的破壞設計彈性應力鬆弛 較高的可靠度與一致的材料特性嚴格的始用能力插入力的控制導電性 較高的電流電阻加熱與應力鬆弛效應的控制過熱保護,resistance,理想的接觸合金,彈性模數,190,60,199,7025,727,521,好,688,可接受,失效邊緣,合金性質比較,390,97,降伏強度 (at MBR/t = 1),成型性 (at 700 N/mm2),疲勞強度 (at 108 cycles, -1),抗應力鬆弛,導電性,
