连接器铜材选用

Page:1常用金屬材料特性ConfidentialPDC編撰人:俞威日期:2006年09月20日連接器銅材選用課程編碼:GKSZ2324S上課對象:產品設計/製造/工程分析師三以下上課時數:3小時Page:2常用金屬材料特性ConfidentialPDCRev.Changecause/descriptionNoteRev.AInitialreleaseRevisionChangeDescription:Page:3常用金屬材料特性ConfidentialPDC目錄第一章序論1.1課程目的1.2教材結構第二章電連接器的基本知識2.1電連接器的定義及組成2.2連接器的性能第三章常用材料性質簡介3.1金屬機械性能3.2金屬電氣性能3.4金屬強化機理3.5~3.9其他常用性能指標第四章銅材選用流程4.1端子設計的基礎理論4.2機械性能優化與材料選用舉例4.3簡單的電性能設計4.4常用銅合金第五章結論考題附錄及參考文獻Page:4常用金屬材料特性ConfidentialPDC第一章序論1.1課程目的通過本課程的學習,希望學員能夠掌握:1.連接器結構設計時要考慮那些影響2.材料的應力-應變曲線上特徵點所代表的意義3.銅材UNS記號所代表的意義4.IACS概念,會估計算端子的體電阻5.根據應力,力量,低接觸阻抗的分析分析結果決定銅材選用並且對以下的內容有所了解:1.連接器各種性能的相互作用2.銅材強化的機理3.可熱處理銅材的基本原理和方法Page:5常用金屬材料特性ConfidentialPDC第一章序論1.2教材的結構教材以連接器的定義開始,介紹其性能需求和組成,重點介紹連接器的正向力(normalforce)需求和低接觸阻抗(LowLevelContactResistance),並以這兩個性能的設計為例說明銅材選用的流程.其間穿插介紹銅材的的基本機械性能和電氣性能的概念.並對其機理和強化途徑及影響做初步的介紹.Page:6常用金屬材料特性ConfidentialPDC第二章電連接器的基本知識•本章主要介紹連接器的一些基本概念•連接器設計中最要的個性能參數–正向力(normalforce)和低接觸阻抗(LLCR)•各種性能參數件的相互關係Page:7常用金屬材料特性ConfidentialPDC2.1電連接器的定義及組成電子連接器:是用以連結兩電子元件，以使電子訊號,電力能在兩元件間相互傳遞之元件(Device)。它是一種電機系統，其可提供可分離的界面用以連接兩個次電子系統，並且對於系統的運作不會產生不可接受的作用。連接器包括四個基本部分•接觸介面:通過合理設計的接觸力，保證連接器配合力以及連接器耐用性.•鍍層:避免接觸端子基材金屬腐蝕,優化接觸界面的結構•端子基材:其基本的功能是在組件之間提供一條導通電訊的路徑,產生形成並維持接觸彈片接觸面的壓力,形成穩固的接觸•塑膠本體:使各接觸彈片相互隔離，不能電性導通,固定各接觸彈片,對各接觸彈片進行機械保護,對各接觸彈片進行工作環境遮蔽保護•其他附屬件:提供其他的附加功能Page:8常用金屬材料特性ConfidentialPDC•環境需求端子溫昇(TemperatureRising),耐腐蝕性(corrosion-resistance),振動(variation),耐熱耐寒,溫度循環……2.2電連接器的性能需求•電氣特性低接觸阻抗(LowLevelContactResistance),電流容量(currentratio),特徵阻抗(characterImpedance),電感(Inductance),串擾(CrossTalk),耐電壓(withstandingvoltage)……•應用可焊性,互配/互換性,易用性,成本……•物理及機械性能連接器外型及外型的保持,插入力/拔出力(mating/unmatingforce),產品的耐久性(durability)……Page:9常用金屬材料特性ConfidentialPDC2.2電連接器的性能需求–LLCR接觸電阻體電阻薄膜電阻夾縮電阻三個主要來源:•體電阻:連接器導體自身的電阻•夾縮電阻:由於電流的通道突然變小,而形成的電阻.•薄膜電阻:由於接觸區域存在的電阻率較大的物質薄膜而產生的電阻.前者是相對穩定的,而後面兩項與接觸面面間的正向力相關.正向力愈大,阻值愈小.低接觸阻抗(LowLevelContactResistance),有時也稱為低功率阻抗,是連接器在低電壓小電流條件下測的電阻.Page:10常用金屬材料特性ConfidentialPDC2.2電連接器的性能需求–耐磨性黏性摩擦光摩擦由於環境中振動和溫度變化時刻存在,再端子介面間始終存在著向對的位移,稱為微位移(micro-motion),導致接觸介面間的磨擦/磨損.•正向力(normalforce)決定了接觸面之間的磨損狀態.大的正向力使粘性磨擦加劇.但是可以減小微位移.•頻繁插拔的情況下,大的位移迫使粘性區域分離形成磨粒.•所以在可分離式連接處正向力不可以過高.Page:11常用金屬材料特性ConfidentialPDC2.2電連接器的性能需求–溫昇控制TransientTemp.ContourHighest35.6oCSteadyStateTemp.ContourMeshoftheconnectioncontactsElementType:DC3D8EJ=0.5AT=24.3oCV=0.0T=25.3oCheattransfer23.3oC25.3oC電流從導體中通過,由於焦耳熱(Jouleheat)的產生會使導體導體/連接器的溫度升高.破壞連接器的其他性能.Page:12常用金屬材料特性ConfidentialPDC2.2電連接器的性能需求–耐久性連接器的工作環境千差萬別,設計時需要滿足各種不同耐久性的需求,多次差拔(Durability),衝擊震動(Shock&Vibration),溫度循環(ThermalCycling)等狀況都將使連接器的性能受到損害與破壞。Page:13常用金屬材料特性ConfidentialPDC第三章金屬材料性質簡介•連接器的性能很大程度上決定於端子的設計.而端子的設計又是以材料的性質為基礎的.•主要針對連接器設計中常用到金屬材料—銅材的為例來介紹連接器常用金屬材料的關鍵性質.•材料的應力-應變曲線•材料的導電性能•除了銅(合金)材以外,不鏽鋼是另一種最常用的金屬材料.這裡不做介紹,可以類比銅材理解.Page:14常用金屬材料特性ConfidentialPDC3.1金屬機械性能–拉伸實驗StressStrainCurveTensileTest材料基本的機械性能使用如有下圖所示的拉伸實驗得到的,要的參數有:●楊氏(彈性)係數E●比例極限σA●拉伸強度σC●延伸率εC●屈服強度σB,該參數實際使用中常用σ0.2代替Page:15常用金屬材料特性ConfidentialPDC3.2金屬電氣性能–電導率•電阻(Resistance(R))(unit:)•Resistivity(ρ)&Conductivity(γ)電導率Conductivity:(unit:-1=S)•國際回火銅標準IACS–InternationalAnnealingCopperStandard•%IACS–相對於純銅的電導率(或導電性)–純銅在20C條件下的電導率為100%材料的電導率(conductivity)是反映材料導電能力的一個指標,與電阻率(resistivity)互成倒數.Page:16常用金屬材料特性ConfidentialPDC3.3認識銅–元素位置和晶格29Cu銅58.6929號元素,面心立方,原子填充率74%Page:17常用金屬材料特性ConfidentialPDC3.3認識銅–基本性質•纯铜呈紫红色，熔点约1083.4℃，沸点2567℃，密度8.92g/cm3•純銅的性質柔軟有韌性，具有良好的延展性。1g纯铜可拉成3000m细铜丝或压延成面积为10m2几乎透明的铜箔。•是電、熱的良導體，纯铜的导电性仅次于银，•有耐蝕性，可不加表面之保護處理，而廣泛的用於製造桶、屋頂、水槽及銅絲等器物•鋼經軋延出廠者其表面呈現淡紅且明亮之黃色，但曝露於空氣中時其表面很快的變成無光澤的純紅色•若曝露於濕氣中時其表面常變為純綠色，經過鎚打時或軋延後鋼質會變硬而脆Page:18常用金屬材料特性ConfidentialPDC3.3認識銅–材料的強度滑移理論:空穴,位錯的缺陷的存在,使得原子之間的容易產生滑移,從而發生屈服產生(永久變形).銅的原子排列(晶格結構)為面心立方,在結構上具有較好的對稱性,滑移後很容易再形成鍵,具有很好的延展性.材料的性質決定於晶格的類型和內部的缺陷狀況.改變結構就可以改變其性質.Page:19常用金屬材料特性ConfidentialPDC3.4銅材強化及其機理3.3.1固熔硬化(SolidSolutionHardening)取代形原子(substitutionalatom),如錫,鋅,鎳插入形原子(insertitialatom),如鋁,鈹固熔硬化的機理:有兩種類型的固熔硬化措施,通過這些加入的金屬或非金屬原子可以阻止晶格缺陷的移動,從而提高材料強度:固熔硬化的效果–銅合金Page:20常用金屬材料特性ConfidentialPDC3.4銅材強化及其機理•工业标准(industrialstandard)–三位数系统(取代)–較少使用•合金統一數字系統UNS(UnifiedNumberingSystemforMetalsandAlloys)–由CDAASTME527管理–鈹銅常用的記法•國際標準化組織ISO–欧洲DIN17666采用–中國國家標準(GB)類比使用•日本工業標準JIS(Japaneseindustrialstandard)–日本采用–磷青銅名稱使用C172C17200CuBe2C1720C521C52100CuSn8C5210固熔合金的記法:業界有三種常用的標準來標記固熔合金目前還有一些供應商使用自己的產品的商標名稱作為材料的命名方法,這些合金多數是一些多成分合金,或者暫時沒有在UNS中取得名稱的新型合金,如Stol92.Page:21常用金屬材料特性ConfidentialPDC3.4銅材強化及其機理AlloygroupUNSdesignationPrincipalalloyelementsexampleCoppers1C101-C1579Ag,As,Mg,P,ZrC110Highcoppers2C162-C199Cd,Be,Cr,FeC193,C194BrassC210-C280ZnC268LeadcopperC300-PbC390TinbrassC404-C465Sn,ZnC425Tin(phosphor)bronzeC501-524Sn,PC519,C521AluminumbronzeC608-C642AlSiliconbronzeC647-C661Co,SiModifiedbrassC664-C697Zn,Al,CoC680CoppernickelC701-C729Ni,FeorNi,Si,SnC7025SilvernickelC735-C798Ni,Zn銅合金群UNS記法及連接器領域常用的合金舉例Page:22常用金屬材料特性ConfidentialPDC3.4銅材強化及其機理CrystallineGrainStructureMaterialyieldingSlipPlaneWeakenMovementofDislocationDislocationstoppedbyagrainboundaryDislocationgrainboundary3.3.2冷做硬化(ColdWorkingHardening)冷做硬化的機理:根據滑移理論,在結構不連續的地方發生滑移是困難的,冷做硬化就是通過冷加工金屬晶粒變小,使發生滑移的缺陷受阻從而提高材料的強度.晶界阻擋使滑移不再繼續發生Page:23常用金屬材料特性Confidentia