Audio-Jack-连接器设计经验

AudioJack

DesignGuideline

Presentation1

序產品基本介紹產品識別應用

a)外觀應用需求

b)電器迴路介紹

c)Plug匹配介紹

d)電器迴路-序號標示方式Specification介紹

a)一般規格

b)客戶特殊需求:壽命/插拔力/產品耐高溫度產品設計重點設計案例參考Q&A2產品基本介紹Audio(Phone)JackI/0類訊號傳輸之連接器主要為音源訊號的傳輸主要的應用:

凡所有電子消費產品需使用到音源傳輸皆需要用到AudioJack,如:Notebook/Mobile/PDA…

3產品基本介紹PC/NOTEBOOK在不同功能應用上,Connect的本體顏色各有定義(PC99)4產品識別應用為什麼開新產品一定需要與需求者(客戶)溝通???客戶在選用連接器時,所考慮的要件為何???應用的型態選用哪一種連接器.電器的特性需要的接點/開關數量.外觀尺寸的匹配可與其系統匹配的外觀尺寸Specification的需求除一般的電器規格,另外是否有特殊的要求!以上絕大部分的要件都將會揭露在圖面上,所以唯有與客戶取得的共識,圖面才可以完整的呈現所有必要的條件!!!此部份將決定了我們產品設計的大方向!!!5外觀的需求SearchbyType：

DIAψ2.5

/ψ3.5PCBMountingSurfaceMount/ThroughHole/Sinking

/ContactSchematic2~4Pole

SleeveTypePlastic/Metal/Mix

OrientationHorizontal/Vertical

PCBtoCenterHDimension

BodyWidthDimension

TotalHeightDimension

信音網站AudioJack搜尋條件6外觀的需求7電器迴路介紹電子工程師看圖面的電器迴路決定選用產品!看PCBLayout作為電路走線的依據8電器迴路介紹認識電器迴路圖是瞭解客戶電子應用的基本功夫!!!9Plug介紹EIAJRC5325A10Plug匹配介紹由左圖可以看出電器迴路中各接觸點與Plug的關係!也可以由迴路圖中看出辨識出此產品的匹配Plug是哪一種形式的!11Plug匹配介紹如上圖所示,Plug每一極所對應彈片的位置與電器迴路圖皆有關聯#4#3#2#1#6#512Plug匹配介紹Jack端接點彈片的名稱是依據Plug端所定義的!13Plug應用範例此為Plug端各極之功能的範例,各極之應用並非為絕對,需視各電子迴路應用14電器迴路

序號標示方式

為使迴路圖序號標示取得一致性,且為有邏輯觀念的標示方法,所以制定了以下規格做為序號標示的依據與Plug配對後,接觸點依序由前至後按順序標示沿上述依據接觸點順序標示其開關部順序其它,較少使用之迴路接點(如:Transfer)15電器迴路

序號標示方式與Plug配對後,接觸點依序由前至後按順序標示16電器迴路

序號標示方式沿上述依據接觸點順序標示其開關部順序17電器迴路

序號標示方式其它,較少使用之迴路接點(如:Transfer/BREAK)18Specification介紹

一般規格以上為AudioJack產品開發最基本需達到的SPEC.ProductSpec.為依循EIAJ規範制定.19Specification

客戶特殊需求IRProfile溫度需求導入LeadFree製程產品過IR由原來最高溫度235℃需求提昇至260℃

壽命提高需求可攜型掌上電子產品因MP3的功能導入,聽耳機的需求增加,壽命需求由5000次提昇至10,000~12,500次

MotoM32testMoto定義的連接器導入測試規範,主驗可以驗證連接器的壽命/產品強度/焊錫強度等多項功能,屬目前業界最為嚴苛之測試OMTP

主要目的為統一Plug端的Pindefined,使consumer所購買的Plug有更大的共用性,其對Jack也有相對的迴路要求

20產品設計重點產品設計需從三大方向考量著手設計!產品應用面:外觀尺寸SMTLayout/共面度電器迴路(端子擺放相對位置)產品可靠度客戶機構的佈局零件設計:需確認設計出的零件是可以被製作的!簡單化的設計降低模具複雜度.裝配生產考量:組裝便利性的考量.防範組裝所造成的破壞未來可規劃為自動化的生產.產品的賣相決定於產品的可靠度產品的可靠度80%以上決定於彈片的設計彈片的設計為產品開發的核心21產品設計重點

彈片設計

產品開發中最難/最經常需要被修改的就是彈片的設計,彈片的設計影響了哪些!1.接觸的穩定性

2.插拔力的大小

3.產品壽命彈片設計需考量哪些重點:1.材料的選用

2.力臂的設計

3.干涉量(位移)(上述的設計重點影響了彈片的正向力/耐久性)22彈片設計

接觸穩定性彈片的接觸穩定性需考量:NormalForce接觸形態其中接觸形態應依據赫茲應力的理論觀念應以點接觸方式為合理穩定的接觸形態線接觸點接觸23彈片設計

彈片活動之狀態自由狀態彈片設計尺寸Pre-Load彈片與Shunt端子組裝後彈片所產生的位移變形LoadPlug插入後彈片縮產生的位移變形24彈片設計

材料選用抗拉強度斷裂強度降伏強度實際材料理想材料uF彈性係數切線模數25材料的特性與應力Force彈性係數:未超過降伏前的力量反應比例(ReactionFocre)切線模數:超過降伏後的力量力量反應比例(ReactionFocre)強度代表材料本身承受負荷的能力降伏:永久變形抗拉:最大負荷斷裂:斷裂負荷應力代表外力在結構材料上造成的負荷大小判定準則應力＜強度26基本材料力學公式σK長L1/L3寬1/bb厚1/hh3參數指標重要指標應力σ=MC/I(M:彎距moment/I:慣性距/C:形心之位置)=(FL)*(h/2)/(bh3/12)=6FL/bh2

=3/2*(Eδh)/L2I=bh3/12F=3EIδ/L3

=bh3δE/4L3在固定作用力

σ∞L∞1/b∞1/h2K(彈簧常數)K=3EI/L3=Ebh3/4L3只與材料E及尺寸有關\K∞b∞h3∞1/L32728連接器所需要的效能材料所必需具備的條件

高接觸力/NormalForce高降服強度/YieldStrength

好的散熱性及低溫升

完成較低的接觸阻抗高的導電率/Conductivity

折彎角度小/微型化產品優異的折彎性/低R/T比

交變應力不失效/高插拔次數優異的抗疲勞強度/FatigueStrength

位移形變小/下壓行程有限但需高接觸力

符合環保標準無環境有害物質/ROHS

高楊氏/彈性系數Young‘sModulus

高熱傳導係數/ThermalConductivity

持久的高接觸力/高溫環境下工作高的抗應力鬆弛/StressRelaxation

連接器對材料的需求29導電率/熱傳導係數Electrical/thermalconductivity折彎性/Bendability楊氏係數/Young´sModulus抗應力鬆弛/Stressrelaxationresistance降服強度/Yieldstrength通訊&電腦銅合金for連接器運用各式材料特性的重要性彈片設計

使用輔助軟體協助設計分析最大應力WorseCase分析:考量Plug外徑尺寸為上限值時分析端子的最大應力30彈片設計

使用輔助軟體協助設計分析正向力WorseCase分析:考量Plug外徑尺寸為下限值時分析端子的正向力310.2mm彈片設計

使用輔助軟體協助設計分析永久變形量WorseCase分析:考量彈片經過Plug外徑尺寸為上限值插拔後產生的永久變形量32彈片設計

正向力分析值&實測值的驗證比對NormalForce分析值:1681gf實測值:1794gf取彈片的正向力分析&實測曲線圖觀察二者差異:左圖:實測&分析值相符右側:實測&分析值不相符,需檢查分析&實測的材料參數,幾何形狀,實際的端子有無缺陷.NormalForce分析值:90gf實測值:58gf33R/TRatio的測試方式r=090°V-shapediePunchwithbendingradiusro180°U-shapedieroPunchwith

bending

radiusspecimen彈片設計

材料折彎成形性考量3435R/T比的計算折彎方向:GoodWay,BadWay.影響折彎性能的因素R(BendingRadius)R(BendingRadius)T(Thickness)材料SPEC上的R/T比必須比算出的值小，才是安全範圍。3600,511,522,53020406080w/tr/tgoodwaybadway„badway“w„goodway“wDatasheetvaluesResultsfor90°Bends,TemperTM04R/T&W/TCurveFigure37影響折彎性能的因素材料的厚薄:薄的板材可接受較小的彎曲半徑而不破裂。材料的寬窄:端子或彈片寬度少於材料厚度的8倍彎角成型的過程:如果彎曲是使用漸進式折彎行程完成，將會減少發生斷裂的可能性延展率:延展性與強度成反比，高強度材料的成型性大多比低強度的差。晶粒大小:晶粒越小的其成型性越好

38折彎後R角Crack與否之SEM圖片影響折彎性能的因素B18-SUPRALLOY-R685的晶粒照片C5210-EH的晶粒照片產品設計重點

端子對塑膠的RetentionForce端子條件RetentionForceShunt200gfmin.Spring未有二段變形300gfmin.Spring有二段變形,組裝方向與Plug行進方向垂直500gfmin.Spring有二段變形,組裝方向與Plug行進方向平行800gf端子對塑膠本體的RetentionForce(一般的規格)此SPEC需制訂於端子部品圖面內.以上為一般之規格定義,若有遇到端子需要較大之插拔力時,再以個案調整處理RetentionForce定義的基礎為,RetentionForce>插入力39

1端子加寬

2彈片加保護腳

3端子加凸肋

4减小弹片的预压量

5连续料带

6材料加厚產品設計重點

避免彈片變形設計401.弹性端子加宽Ring-A从BODY后面组装，端子弹片根部尺寸不得小于1.4mm。如：X351SERIESRing-A从BODY后面组装建议在BODY空间允许的范围内，端子尽量加宽，端子与BODY上下壁的间隙，应保证0.15min,如：0960SERIES4142端子焊腳和彈片都有保護腳端子只有焊腳有保護腳注：端子弹片必须要有保护脚

JACK类产品焊脚1.8mm可以不用保护脚

UB类产品焊脚必需要有保护脚2.彈片加保護腳1.3端子加凸肋增加凸肋，增加弹点强度优点：强度增加；正向力增加缺点：应力增大，永久变形增大（结合ANSYS分析结果作判定）变更前收料/电镀/组装容易变形变更后端子强度增加，对制程变形有所改善3.端子加凸肋43注：端子与BODY的预压量大小，需结合設計需求以及ANSYS分析结果来判定。端子角度20度，端子的预压过大，端子需倾斜一定角度组装，组装容易变形。端子角度变更为6度，减小塑膠對端子的预压量，端子可垂直组装，4.減小彈片的預壓量44注:1.连续料带须考量pitch的一致性，以利模组化组装

2.端子设计優先考虑连续料带。有些产品因为结构或成本的限制需要选择散PIN时，对端子可能出现的变形，要有有效的解决方案。变更前散PIN,电镀/物流容易变形变更后连续PIN,不易变形5.連續料帶45注：材料加厚会影响到端子的寿命和增加永久变形量，需结合設計需求以及ANSYS分析结果做选择。6.材料加厚467.小结以上为产品设计解决端子变形设计Guideline，此Guideline仅做设计参考，产品设计灵活多样，且受很多条件限制（外形尺寸、产品功能要求），不可一味照搬，避免顾此失彼。471.部品圖標示重點尺寸的原則:

端子彈高

力臂長度尺寸

2,成品圖標示重點尺寸的原則:

端子彈高尺寸

產品設計重點

避免彈片變形重點管控481

部品圖端子彈高尺寸重點管控端子彈高尺寸重點管控力臂长度尺寸492

成品圖彈高尺寸重點管控成品圖重要端子彈高尺寸重點管控50產品設計重點

配合組裝設計組裝便利性的考量.防範組裝所造成的破壞未來可規劃為自動化的生產.考量上述的組裝重點,轉化為實際設計:端子連續料帶設計.同向組裝端子的料帶Pitch需相同端子彈片設計最佳化,料帶保護腳設計51配合組裝設計

端子連續料帶設計端子連續料帶設計目的:降低零件包裝/電鍍/運輸/儲存過程中造成端子變形.組裝過程中使人員不會直接接觸到零件以降低變形機率.同方向中僅有1~2之端子未來可考慮,單站(Pin)自動化組裝發展52配合組裝設計

模組化組裝模組化組裝:同向組裝之端子,料帶設計Pitch需相同端子Pitch需大於塑膠長度,確保治具具有足夠的設計空間.53設計案例參考(客訴&改善對策)Tip之設計Ring之設計Plug插入過程之設計(Pop-noise)2SJ1004Flux之預防2SJ-A390/2SJ2267/2SJ2268SMT之設計經驗2SJ1006彈片/本體過IR後產生變形2SJ2427彈片設計/組裝經驗2SJD373-D01防Plug旋轉造成耐壓不良設計2SJ2428/2SJ2000防Plug斜插彈片疲乏設計2SJ-A427MetalRing的設計參考2SJ-A390Stand-Off設計重點Connector尾部封孔設計安規需求Jack預防上方導電膠布造成端子ShortJack切斜頭/前端截短設計54TipSpring設計重點Tip為產品設計之插拔力重點,其為提供產品插拔力的主要來源.Tip對應Plug停止位置為最先端之鑽石形之位置,所以可藉由鑽石外形之斜度使其在運動的過程中與彈片產生更大的插拔力!55TipSpring設計重點Tip與Plug接觸的位置應落於Plug端鑽石頭之1/2~2/3的位置,如此可確保與Plug間之保持力,而且在Plug旋轉時較不會造成Plug脫離½~2/31.0056Tip設計參考

Tip對Plug的耐壓不良Tipspring已經沒有空間,造成前段與plug(Ring-A)接觸設計值已經與Plug干涉,折彎處R角R/T比為1:1,MaterialC5210-EH不良現象57Tip設計參考

Tip對Plug的耐壓不良改善對策1.材厚由0.25t→0.2t2.R角大小由0.25R→0.2R3.Body增加一材厚以隔離二者58Ring設計參考彈片橫截面與PLUG有碰觸到的情況,導致:1.力臂縮短會有彈性疲乏的問題2.

Plug斜插時有可能造成Plug無法插入.凸點再往下一點設計一方面可以閃開折彎處成型,一面可增長彈片力臂59Ring設計參考彈片內縮過多,凸點必須加高,造成端子成形困難度提高!凸點位置過於接近下緣,可能造成與Plug干涉的問題塑膠逃肉過多,可能造成Plug斜插過程中與彈片根部接觸,導致彈片彈性疲乏60Ring設計參考設計建議彈片斷面形狀設計盡量沿著Body所開的圓孔並以不超出圓孔為原則,另在彈片端面處增加模具邊倒角以達到此種設計最佳化之效果.61Ring設計參考R形設計之優缺點:可以節省較多的空間力臂較短所承受的應力較大Plug與彈片活動方向垂直,導致須承受二向應力(尤其是剪應力)位移方向PyPx62#2#3Plug插入過程之設計Pingin入定點後，2端子位置無誤，故無互通現象.2.2center2.3plugspec#2#3由上圖來看,Plug插入至定位後,端子與Plug的各極接觸並無不合理之現象但是Plug在插入的過程中(如下圖)(,有可能因為端子與端子contactpoint距離小於Plug各極的長度,而導致short的情況發生.此情況有可能產生音訊瞬斷發生的情況,所以仍應避免.Pin2toPin3設計值2.2mm<Plug2.3mm，故Pin2和Pin3在圖示位置處互通.632.2center2.3plugspec#2#32.9center變更前示意圖變更後示意圖PIN2toPIN3距離由2.2→2.9mm>2.3mm(plugspec)，插入過程中已不在Plug同一環圈內，故判定已不會產生pin2和pin3導通的現象.Plug插入過程中示意圖

(修改後)Plug插入過程之設計64變更前#2#32.2center2.9centerPlug插入定位後示意圖變更後Plug插入過程之設計65Flux之預防Flux產生之原因為產品在上板过IR-Reflow時,焊料上添加之助焊劑內有揮發性物質(如松香油…)經過高溫導致揮發瀰漫在空氣中導致其附著於金屬上!產品過IR後接必定會有Flux的產生,只能控制其附著量無法避免,而且此部分為客戶製程無法管控,所以在設計是必須考量Switch部如何預防因Flux造成功能失效!Flux控制之方式,主要焊料成分之控制及產品設計之預防66Flux之預防案例2SJ-A390於華寶發生之客訴問題不良情況Ring-A&Shunt之Switch功能失效原因該接點相對的較接近PCB板,而且無塑膠隔絕,導致Flux附著於接觸點之間67Flux之預防未過reflow-contactwell過reflow-contactNG異物附著68Flux之預防修改對策:於Ring-A彈片處與Shunt接觸的位置增加一凸點目的:

接觸型態改為點接觸型態,接著以點接觸的形式增加接觸位置之接點壓力,藉以接點壓力擊破FluxOriginaltypeNewtype69Flux之預防防Flux的新設計:

CS設計一款欲取代2SJ2267之產品,將產品下方(與PCB接觸面)之開孔縮到最小的範圍,以預防Flux由產品下方開孔處竄升2SJ2268Series2SJ2267Series70SMT設計經驗端子卡合之設計:

若端子組入方向與SMT共面度有關係,建議卡合方式以半切或是凸肋方式取代倒刺方式倒刺設計組入BODY後容易產生端子旋轉的問題,共面度不易控制可解決旋轉問題,且卡合強度也足夠71SMT之設計經驗產品重心問題:

應盡量避面產品SMT設計重心不穩之情況發生,若有此情況則SMT角需做個別的調整此處無焊錫腳導致上板後產品重心不穩,無焊錫腳處往下沉解決對策1.將Standoff的面積加大(無法完全改善2.個別對浮高端子做調整此二支端子造成浮高現象72彈片/本體過IR後變形料號:2SJ1427不良現象:產品過IR2次後,膠體產生嚴重變形!未過IRReflow產品過一次IRReflow過二次IRReflow73彈片/本體過IR後變形不良原因:Tip之Pre-Load的干涉量過大,且固定Tip處的膠體厚度過薄,導致過IR後塑膠材料軟化,Tip彈片應力釋放,使膠體變形改善對策:因無法增加塑膠厚度,所以單純只能造彈片高度做修改變更前變更後74改善前產線組裝EARTH之作業方式：此種作業方式，在預插時，若手法過重，先端易變形，此種變形會使彈高偏低，導致接觸不良彈片設計/組裝經驗

2SJ-D373-D0175建議EARTH組裝之作業方式：此種作業方式，在預插時，若手法過重，先端也易變形，但此變形，產生的是使彈高尺寸偏高的變形（如下頁圖示），會使端子之間的接觸更好，較上面一種組裝方式優彈片設計/組裝經驗

2SJ-D373-D0176先端變形EARTH，組入body后模擬圖：彈片設計/組裝經驗

2SJ-D373-D0177改善對策:a.在設計上：取消0.08+0.02/-0.03撕裂倒刺;b.在制程上：在SOP中定義EARTH組入的方式c.在治具上：壓入治具增加扶正功能彈片設計/組裝經驗

2SJ-D373-D01改善后沖頭增加扶正作用改善前壓入方式改善后壓入方式治具改善對策78防Plug旋轉造成耐壓不良設計案例說明:Plug插入至定位後Plug經過順旋轉後,因Tip受切線方向之剪應力產生彈片偏擺,Tip&Shunt間隙變小造成耐壓不良現象;相對的Plug逆時針旋轉時因為Tip彈片偏擺方向相反則不會產生此問題.2SJ2428案例79旋轉后良品旋轉后不良品通過從良品與不良品圖片對比發現:不良品Shunt-A端子組裝時存在歪斜的狀況,此狀況將會導致與Tip耐壓間隙變小,增加短路風險,風險因子AShunt-A鉚歪,間隙變小,短路風險增加防Plug旋轉造成耐壓不良設計2SJ2428案例80防Plug旋轉造成耐壓不良設計高風險設計:Plug插入至定位後Plug經過順旋轉後造成Switch耐壓不良現象,主要集中於Tip&Shunt的組合,類似高風險設計如下:Tip&Shunt的組合設計多以此組合方式設計,所以需要在此種設計下尋求解決方案!81防Plug旋轉造成耐壓不良設計解決方案設計基礎:應確保Tip經過Plug旋轉過程中彈片變形後與Shunt的間隙仍可確保在可承受耐電壓的規格範圍內.依據下圖理論建議確保間隙保持在最小0.1mm的距離以上.(DielectricWithstandingVoltage:250V/1min.)82防Plug旋轉造成耐壓不良設計解決方案設計:2SJ2000Tip先端加翅膀原設計變更後1.縮小接觸區域彈片寬度為0.8mm.(增加與Shunt的間隙)2.增加彈片先端寬度為1.4mm.(縮小與housing孔的間隙,降低彈片擺盪幅度)83防Plug旋轉造成耐壓不良設計解決方案設計:2SJ2000Tip先端加翅膀變更後Plug插入狀態Tip&Shunt的關係Tip先端&Body的間隙為0.05mmTip接觸區域&

Shunt的間隙為0.3mmPlug旋轉後worsecase,Tip&Shunt的最小間隙為0.25mm(可符合spec需求Plug插入後0.3mm0.05mmSection84防Plug旋轉造成耐壓不良設計解決方案設計:Shunt藉由塑膠配合作隔離(空間允許)原設計改善後原設計:Shunt組入Body後(1.80-1.90)/2=-0.05

Shunt外露於塑膠0.05mm.改善後:Shunt組入Body後(1.70-2.10)/2=0.20Shunt藏於塑膠單側0.2mm85防Plug斜插彈片疲乏設計2SJ-A427產品Plug未插至定位時對Plug側向施力即產生earth端子變形86防Plug斜插彈片疲乏設計改善對策預防措施1.前端端子Earth/Ring-B設計需預防彈片根部受到Plug擠壓.2.將上述要點納入DesignChecklist.3.產品驗證增加Plug斜插測試.87MetalRing的設計參考+外罩銅圜塑膠本體=施加外力後形成3凸點卡合BODY,如左圖所示AAA-ASECTION此結構設計如因打點深度的變異可能造成過IR後外罩銅環即產生鬆脫或轉動,測試時易被拉出.施力方向原型卡合設計製程中難以壓入深度控制88MetalRing的設計參考AA+=施加外力後形成凹處階梯式卡合BODY,如左圖所示A-ASECTION此結構設計除打點外另因階梯式的卡合過IR後外罩銅環不會鬆脫或轉動,測試時不易被拉出.(製程中可提供較穩定的品質)施力方向改良卡合設計製程中可提供較穩定的品質89MetalRing的設計參考改善後的MetalRing保持力,無論在IRReflow前後皆可提供>3kgf的保持力.此種設計可提供較穩定的製程品質,但最重要也必須管控的參數尺寸仍是“壓入深度”的管控.90MetalRing的設計參考無論使用原形設計或是改良設計,對於產品有需要增加MetalRing時,皆應該在工程成品圖面上註明attachmentForce,以供產品驗證/組裝生產時之依據.91