Micro-USB連接器掉落的解決對策

前緣:公司引進 A/B type Micro-USB connector(連接器)來當作資料傳輸與電源供應的接頭,可是確被客戶抱怨有資料傳輸不穩定的問題出現,更甚者有客戶反應產品使用一段時間後就無法再經由USB來供應電源充電了,經過不良分析及原因探討之後,我們發現Micro-USB連接器的五隻焊腳幾乎都有錫裂的情形發生,可是大部分這類不良連接器的鐵框卻都還焊接在電路板上牢牢的,先聲明一下我們採用的Micro-USB連接器有四根06.mm長的通孔鐵框接地焊腳,另外有五隻功能用的焊腳,經過進一步的測試分析後,發現連接器內部的接觸舌片已經晃動得非常厲害。更多的資料可以參考Micro-USB連接器掉落及焊錫破裂一文。

在分析及尋找對策的過程中有多多的網友提供了他們的經驗分享,更有網友提供可能的對策及Micro-USB連接器可能的改善方案,這此先謝謝網友們的鼎力幫忙。我們這樣的問題形成有兩個原因:







1. 我們沒有額外對Micro-USB連接器做任何機構的補強設計。

我們認為連接器的鐵框要是有比較大的變形活動餘裕,連帶的也會影響並搖動連接器內舌片的焊接,而且在實驗過程中我們也發現有部份Micr-USB連接器是整個掉落,而不是只有焊腳的焊錫斷裂而已。

這應該是我們當初設計及DFx檢討不確實的疏失,我們居然沒有對這個連外的連接器做任何機構夾持(holding)以防止翹起的設計。通常這類對外的連接器都需要在機殼上設計出適合其大小的孔洞,讓它完全嵌合在機殼上不再會因外力而有所移動的防翹起設計,或是在連接器的上頭設計一個機構來壓住使其不會有翹起的風險。

可是我們居然完全忽略了這一點,所以短期的補救措施就是要求工廠端先用人工補焊連接器的四根鐵框接地腳。然後馬上透過設計變更,增加一個ㄇ字形的鐵框(Clamp)來鎖住連接器作為長期對策,目前這個樣品已經在驗證階段了,聽說效果還不錯,後面有機會再來分享結果。

另外比較有意思的,有網友提供幾個不錯的點子,在此提供大家分享。第一個方法建議,可以設計一個額外的屏蔽鐵框(shielding case)來罩住連接器,並利用倒勾的方式讓鐵框勾在電路板上面,後面我會找時間把這個設計講解一下。


未加任何機構補強設計以前的連接器
(圖片中的連接器並非我前面提到有四根通孔接地腳的設計)
增加一個額外屏蔽鐵框罩在Micro-USB聯接器的外頭,其前緣利用倒勾的方式勾在電路板背面防止連接器的前緣翹起。
未加任何機構補強設計以前的連接器 增加一個額外鐵框罩在Micro-USB聯接器的外頭,其前緣利用倒勾的方式勾在電路板背面防止連接器的前緣翹起。

SMK-Micro-USB-Connector-300x214另外日本的SMK有發表一款強固形的Micr-USB連接器,它採用雙重屏蔽罩的結構,並宣稱可以提高約2倍扭力負荷所造成的耐變形強度,增加了產品的可靠性。。有興趣的可以參考這裡http://www.smk.co.jp/page.jsp?id=5021&version=en

不過個人覺得它的強度還是不若前面提到的額外屏蔽罩強壯,使用的時候最好還是在上面增加防翹起的補強機構設計,但我要強調的視個別的產品設計需求而定,說不定這樣的產品已經可以符合貴公司的要求了。後續我會再撰文介紹我們如何界定USB連接器的信賴度及其測試方法。

2. Micro-USB連接器內部舌片結構不夠強壯

之前有提到我們公司的Micro-USB連接器供應商一直強調連接器是因為遭受過大的排線插入的撞擊力而失效,其實我個人也不排除有此可能,但因為我們公司的產品並非手機之類的個人消費性產品,所以有些終端用戶在操做的時候並不會像使用個人手機般的愛惜及小心翼翼,況且產品又可以當作充電用,所以一天來回個插上30~50次不是沒有機會。

至於用不用力?這就見仁見智了,協會建議最大的插入力為35(Newton)最大速度以不超過12.5mm/min為準,這力量應該是夠了,但速度換算成秒速只有0.2mm/sec左右,也就是說必須要很慢的插入,這在個人手機上也許真的這樣,但如果這是一台盤點機,大家會這麼小心翼翼?只能說公司的市調人員太過於樂觀,覺得可以選擇一個小一點的連接器,跟上手機的潮流,而不知道這樣的連接器是需要捧在手心上好好伺候的。

既然產品出了問題就得有改善對策,所以重頭戲還是落在工廠端,反正所有的Trouble都是請工廠人海戰術解決。短期對策使用雙液的環氧樹脂(Epoxy)把五根功能焊腳給固定起來,其實Epoxy也可以增強Micro-USB鐵框固定於電路板的強度,不過這Epoxy的作業有時候稍一不慎就可能出大問題,尤其是雙液型的A/B膠,我個人是能避就避,因為製程不可逆,無法重工/返工(rework),作業程序中如果稍有不遵守紀律的情形就會有膠不乾的問題,點在外頭看得到的膠還好,如果是點在某些黑盒子內的膠就難以檢查了。

至於長期對策,由於無法經由後段的機構補強來達到,所以目前正在測試網友建議的有止擋防暴插的Micro-USB連接器,目前知道Mitsumi及Hirose都有出這種連接器。

在鐵框左右兩端各打出一個倒三角形並嵌在連接器內的塑膠舌片上,塑膠舌片有預挖凹槽來避過這兩個止擋。

有些朋友可能很難從這張圖來想像止擋的樣子,後面有機會我可以拿到3D圖檔,或許可以找到更好的視角來解說。它基本上是在塑膠舌片的底端,也就是排線插入的終點出,利用原有的鐵材料在左右兩端各打出一個倒三角形的止檔,並嵌在連接器內部的塑膠舌片上,塑膠舌片也預挖兩個凹槽來容許避開這兩個止擋。

這兩個止檔如果做得好,應該可以有效利用鐵框來限制塑膠舌片的活動空間,既使遭受到過大的插入力,也可以抑制排線過插的問題。


後記:本來這篇文章是要定義Micro-USB連接器的信賴度,不知怎地寫著寫著就變成這樣了,而且字數也將近2000字,部落格文章真的不適合太長。所以就期待下一篇文章我會寫出如何測試Micro-USB連接器的信賴度吧,不過我真的沒有把握!老闆最近盯得很緊。


延伸閱讀:
零件掉落與鍍金厚度的關係
電路板油污客訴調查結果
掀蓋式連接器的活動片設計注意事項(right angle connector)




訪客留言內容(Comments)

成本太高了!!!

呵~~這個補強屏蔽框第一次看過~~~受教了!!!

ewew;
這個屏蔽罩是訂製的。

感觉工厂总是救火队!无奈阿!

Jerry;
其實想開一點,社會上總要有救火英雄這個角色的!不是嗎。就當自己是英雄吧!

這種鐵件保護通常是用在什麼樣的商品?
大多數機構都會在結構上做補強不是嗎?
什麼情況下要直接在板上多做這件阿

chang;
當然!如果可以使用原來的機構設計來作到uUSB連接器的保護,就不需要這鐵件保護件了,它的使用時機應該是無法使用原有的機構來保護連接器,也就是說有設計上的限制,或是原本的機構強度不足,比如說手機的機殼太薄,無法承受太大的應力。

最近一直被high light Micro USB A/B type反插沒有防呆,對舌片破壞有一定risk,請問有遇到相關的問題嗎?

我門公司也是因為這樣子,所以最近下了決定把原本的A/B type改成了B type了。

這樣成本太高了吧?為何不直接在USB前端正方方加2個PAD焊住鐵殼?如此強度將提升數倍,也能接受扭力,且完全不增加成本,不是更好?RD總是忽略了成本問題。

Leo;
事實上這類Micro USB連接器是可以將其鐵殼焊接到PCB上的,可是其焊接強度並不足以抵抗人手插拔的外力,所以連焊墊都整個被拔起來,就算是過孔的PIN腳也都被撼動了,所以才會採用其他方法。

那個鐵框太酷了啦!有機會入手嗎?小弟最近手頭上有幾片板子…
M-USB的座也被產線的人弄壞了…而且壞的很誇張
拜讀了熊大的文章後,預計是想買有檔塊的母座回來更換,
然後又看到了這個鐵框,很想要雙管齊下,不知道有沒有機會入手?

其實我覺得說RD總是不考慮成本是有點不公平的,因為如果要考慮成本
可能很多產品就會胎死腹中了…

Paul;
這個鐵框是自己設計的,外面買不到。

近几年用USB兼充电的机器多了!我有超过20年品质经验,发觉有部份产品会将充电这—功能独立处理!其原因也在可靠性方面!我手上有手机及平板电脑都有同样问题。就是机器在充电过程中同时在使用;也因为这样;在考虑扦拔uSB时是否30次到50次就足够?如不是?设计者如何保证产品天天在充电状态中;而可以承受X次摇动;又用上1至2年(365X2X"X次"),结论是不能保证。我手上的SONY手机还好;可以将电池拔出独立充电。但飞触平板就只有报废;或修理。再看Ipad,她是独立充电的。大家认为她在设计时有做FMEA及考虑了这情况;所以独立充电?多一点成本,但劲增加可靠性?Sammui Wong

FMEA並不是萬靈丹,它大部分都是依據工程師以往的經驗而來,如果工程師沒有這種micro-USB的經驗,其實不一定會被列為重點項目的。
再說,一般的使用機器的往復式插拔很難實際測出終端客戶的使用習慣與壽命。有些東西還是得從錯中學。

补上一句;我手上另一个半岛铁盒平板更差劲,只用了2个月就充不了电。分析后原来有一个针脚掉落,在机器内的胶带上找到。锡点可靠性不是裂鍚这么简单;绝对是生产工芸控制水平问题。Sammui Wong

有興趣這個鐵件,請問要怎麼跟你詢問相關資訊?

工作工作;
這個設計的訊息要請你自己找了。
原則上就是設計個機構可以勾住電路版。

請問這個鐵件,因為我們公司遇到這方面的問題,故想請問有無可以直接購買?或是您可否推薦做這個鐵件的廠商?謝謝您

工作工作;
我還是只能說抱歉,這是客製化的產品,外面應該買不到,
當初也有詢問過各大連接器的廠商,
後來我們是自己設計打樣,導入。
而且客家公司對Micro-USB的設計也都不同,有時候同一個鐵框也不能適用於所有廠牌的連接器。

不好意思~想請教一個相關的問題~
就是DVI connector,它的耐插拔次數,業界或協會是否有規範幾次? 還是只有定義測試方法,次數視產品特性或是保固期限來訂定?
最近被這問題困擾著,還請不吝告知。感謝!!!

louis;
對不起!沒有接觸過這種DVI的連接器,建議你可以先詢問製作DVI連接器的廠商,看看有沒有什麼標準,然後再做判斷。

沒關係~還是謝謝您的回覆及建議。

請問文中提到四隻0.6mm的腳.穿過板子是在reflow 一併靠錫膏固定嗎?

Jesse;
是的。
四根鐵框的接地PIN腳走PIH製程,用SMT直接焊接。可以在部落格內查看PIH或PIP的文章。

您好 :
小朋友的華碩平板Micro USB B 連接器掉落,請問工作狂人能否洽您購買幾個micro usb B 連接器 ,我想嘗試自行更換!!

謝謝

程小俠.
本部落格不販賣商品,不知哪裡讓您覺得這是個商業網站?


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