고내열 커넥터란 무엇인가?

“고내열 커넥터”로 WEB 검색을 하면, 내열 온도로서 80℃ 정도의 것부터, 과연은 680℃ 대응으로 되풀이되고 있는 것까지 다양한 제품이 게시되어, 무엇인가 구체적으로 기대하는 제품을 찾고 있는 분은 조금 혼란해 버릴지도 모릅니다. 「그럼 고내열 커넥터란 무엇인가?」라고 하는 이야기를, 이번은 해 가고 싶습니다. 모호한 말의 정의 속에서 무엇을 고내열로 하고 있는지, 용도, 기술적인 과제와 접근, 특수한 사례 등을 섞어 설명하겠습니다.

고○○는 Highr Than ×××, 그럼 ×××는 뭐야?

커넥터에 한정된 이야기는 아니지만, 고내열 이외에도 고속 전송이나 고전류 등의 "고"가 왕관에 붙는 제품은, 그 높이에 관한 정의가 비교적 모호합니다. 단어의 발신자와 수신자 사이에 인식의 차이가 있으면, 아무래도 대화가 맞물리지 않는다는 일도 있습니다. 당사의 영업 활동에 있어서도, 고객의 요망을 제대로 이해하지 않으면, 특이한 제안을 해 버리기 때문에 각 영업원은 초동으로의 교환에는 주의를 기울이고 있습니다・・・있을 것입니다만, 그래도 곧바로 오해는 풀 수 있어도 약간의 차이는 때때로 일어나고 있는 것 같습니다.

「고」의 해석에 의한 교차 사례

왜 이런 엇갈림이 생기는 것인가 하면, 각각의 마켓, 제품, 환경에 의해 무엇을 가지고 높은가가 다르기 때문이군요. 예를 들어 같은 제품이라도 당사의 고내열이나 고속 전송으로 한 제품을 차재 시장과 통신기 시장에 반입한 경우에는 받아 받는 방법이 다르고, 같은 차재 시장에서도 앱이 다르면 고전류·고전압 등의 수신 방법이 다릅니다. 「×××보다는」 혹은 「×××로 해서는」 「고○○」라고 하는, 절대적인 높이 「High」가 아니라 「Higher Than」이 「높은 왕관」과 연결되어 있기 때문에 일어나는 엇갈림입니다.

예를 들어 의료 진단적인 것, 혈압 등이라면 진료 기준이 명확하게 있어 「여기로부터 고혈압」이 됩니다. 한편으로 신장이 178cm인 사람은 일본에 있으면, 우선 고신장이라고 할 것입니다. 그러나 네덜란드에 가면 저신장이라고 해도 이상하지 않을 것 같습니다. 혹은 야구계에 가서 「178cm의 장신으로부터 꺼내지는 각도가 있는 직구!」라고 해도 핀 때 없습니다.

환경에서 변화하는 신장 취급

본 사이트의 기술 정보내에 있는 「커넥터란」에서도 조금만 설명하고 있습니다만, 커넥터의 용도가 다양화한 것에 의해서, 같은 것이 커넥터의 고내열에서도 일어나고 있습니다. 그 때문에 전제를 제거해 버리면, 서두의 심플한 WEB 검색등에서는, 저것도 이것도와 혼란하는 라인업이 동시에 등장해 버리는 것입니다. 구체적인 목적으로, 사용할 수 있을 것 같은 부품을 찾고 계신 분에게는 귀찮은 이야기일지도 모릅니다만, 「커넥터 고내열 XX 접속」등과 키워드를 늘려 좁힌 검색을 해 주신 (분)편이 목적에 도착하기 쉬워집니다.

커넥터의 「계통」에 의한 고내열의 차이

조금 구체적으로, 커넥터의 종류에 의한 「고내열」의 의미의 차이를 보자. 각 커넥터 종류에 따라 사용되는 재료의 계통이나 사이즈감도 달라집니다. 특히 고내열인 것으로는 히터나 가열로 중에서의 접속에 사용되는 200~수백℃의 내열을 가지는 품종이 있어, 게다가 그 근처의 좀 더 온도가 내려간 곳에서도 150℃ 정격의 와이어 접속용의 커넥터 등이 있어, 이쪽도 거의 고내열 커넥터라고 호칭됩니다. 전자에서는, 다른 커넥터에서는 별로 사용되지 않는 세라믹계의 절연물이거나, 플라스틱계의 것에서도 PEEK등 슈퍼 엔프라 중에서도 내열·강도가 강한 재료가 사용되기도 합니다. 금속 부품도 끈적끈적한 구성의 스테인리스등이기도 합니다.

한편, 범용 기내 배선용의 커넥터에서는, 60℃ 정격이 베이스가 되어, 80℃/105℃의 것은 고내열 커넥터라고 불립니다. 이쪽은 통칭 「나일론 커넥터」등이라고도 불리는, 구래의 재료가 절연체의 베이스가 되는 것이 많네요. 여기까지 본 것만으로도 커넥터의 종류에 따라 고내열과 온도가 상당히 다릅니다.

커넥터 종류에 따른 고내열의 차이

당사가 주로 취급하고 있는 것은, 기기내에서 사용되는 기판 접속용의 커넥터가 됩니다. 이러한 커넥터에서는 일반적으로 80°C 정격이 범용으로 취급됩니다. 105℃ 정격의 것으로부터 고내열이라고 호칭되는 일이 있습니다만, 현재는 내열 요구가 보다 높은 것으로 시프트해 오는 배경도 있어, 당사에서는 특히 125℃ 대응품을 「고내열 커넥터」로서 취급하고 있습니다.

덧붙여서, 이 손의 커넥터의 내열 요구의 향상은, 차재 부품 등의 고온 환경에서 회로를 구성하는 기회가 늘어난 것, 전자 부품의 고기능화나 고속화에 의한 발열의 상승에 의한 것입니다. 미래에는 더 높은 온도 정격의 것이 요구될 수 있다. 이와 같이 시대나 주변기기・부품 기술의 변화에 따라, 커넥터의 종류 중에서 이 좁은 제품군 내에 한정해 봐도, 고내열의 정의가 바뀌어 왔습니다. 단, 절연 재료는 범용 그레이드에서는 PBT 등, 고내열에서는 LCP 나 PPS 외, 다양한 수지가 사용됩니다. 금속재도 특히 스프링성이 묻는 곳에서는 범용과는 다른 합금재가 사용됩니다만, 이쪽은 후술하겠습니다.

여기에서의 이야기는, 주로 「기기내에서 사용되는 기판 접속용의 커넥터」에 관해서 진행해 가겠습니다만, 그 외의 커넥터에서도 공통의 부분도 많은 내용입니다.

단기 내열 및 연속 사용 온도

고내열 커넥터가 있을 경우, 통상은 연속 사용 온도가 높은 것을 가리키고, 정격 온도는 이쪽에 근거합니다. 한편으로는, 실장 프로세스등으로 일과성의 단시간이면서, 사용 온도보다 쭉 높은 온도에 노출되는 일도 있어, 그 면에서의 내열성을 신경이 쓰이는 케이스도 많지 않을까 생각합니다. 장기·단기 양쪽의 내성을 확인하기 위해서, 실제의 제품 평가로서는, 다음과 같은 환경 부하 시험 후에 커넥터가 그 기능·성능을 채우고 있는 것을 확인합니다.

 단기 내열 : 소정의 리플로우 조건 등 (180℃×120sec→250℃에서 단시간×60sec를 2사이클 등)
 장기 내열 : 정격 온도(최대 허용 온도/연속 사용 온도)×소정의 시간(125℃ 정격, 차재 기기에서는 125℃×1000h)

한편, 그러한 환경 부하의 결과, 고려해야 할 대략적인 과제는 무엇일까요? 단기 내열과 장기 내열(연속 사용)시에 있어서, 커넥터 대략적인 과제를 금속 부품과 절연 부품으로 나누어 정리해 보았습니다.

커넥터에서 내열을 고려해야 할 거친 과제

상상하기 쉬운 과제가 많은 것은 아닐까 생각합니다만, 재료 부품으로 보았을 경우의 내열에 관한 포인트는, 대체로 단기·장기 모두

·열에 의해 녹는 ·연화한다 (ex.플라스틱 부품의 변형·용해나 도금의 용해)
・성형/형성시의 변형이 취해진다(ex.금속의 스프링 특성의 열화나 플라스틱 재료의 휨)
· 화학 반응의 활성화 에너지는 온도에 따라 높아진다 (ex.금속의 산화나 플라스틱의 취화)

의 3종으로 집약됩니다. 이 중에서 세 번째 화학 반응의 온도 의존에 관해서는, 그 가속 시험 방법에 관해서 본 사이트의 용어집 아레니우스 플롯 에서도 조금 언급하고 있으므로, 흥미가 있는 분은 봐 주세요. 다만, 이 문제는 앞서 내세운 장기 내열 중에서는, 현재의 당사 제품군의 재질 구성에서는 현재화하는 것이 다른 문제보다 훨씬 늦기 때문에, 제품 개발시의 과제로서 오르는 것은 드뭅니다. 같은 플라스틱 부품을 사용하고 있어도, 내열의 정의도 전선 등의 유연한 수지를 움직이는 제품에서는 이쪽의 과제가 꽤 중요한 것 같습니다만(전선에서는 수명의 정의도 크게 다릅니다).

게다가, 첫째 가운데, 도금의 용해에 관한 과제도 거의 없습니다. 그러므로, 여기로부터는 그 외의 항목을 설명하면서, 고내열 커넥터란 어떤 것인지, 어떤 시점에서의 개발·설계가 필요한가를 봅시다.

수지의 변형

고온하에 있어서의 커넥터가 안고 있는 과제에 대해서, 우선은 수지의 변형으로부터 봐 갑시다. 가장 간단하게 생각하는 것은 다음과 같은 문제일까요?

・단기：용해나 연화에 의한 변형

재료의 융점 연화점이 리플로우 등의 공정 온도보다 훨씬 낮은 경우에 녹아 버리는 문제입니다. 최저한 재료 선택으로 필요한 점이군요. 이것은 "열에 의해 녹는 연화"에 해당합니다. 또 하나 앞의 과제로는 「성형/형성시의 변형을 취할 수 있다」에 해당하는, 다음의 것이 있습니다.

・단기：성형시의 변형의 해방

내열 이전의 문제로서, 통상 프로토타입 단계에서 버그가 되는 버그이므로, 커넥터를 사용하는 분의 눈에 접할 기회는 별로 없을지도 모릅니다만, 프로세스 투입 전부터 수지 부품에 휨 등의 변형이 생기고 있는 일이 있습니다. 이것은 성형시에 용융해 유동하는 수지의 장소에 의한 응력의 편향이나, 성형에 이용되는 금형의 온도의 개소에 의한 차이, 수지의 열수축 특성 등에 의해 발생합니다. 그 연장선에이 문제가 있습니다. 완성이 확실하고 있는 상태에서도, 이러한 변형의 원이 되는 수지 중의 「변형」이 조금만 갇혀 있는 것입니다. 리플로우와 같은 공정에서 온도가 상승하면 수지는 이것을 기억하려 합니다. 그리고 편한 상태로 돌아가려고 합니다. 예를 들면 아래와 같이 수지가 변형을 해소하려고 하는 것으로 휘어져 버려, 리드 프레임부의 코플러나리티가 소실해, 기판으로부터 다리가 떠오르는 버그등이 발생하기도 합니다.

코플라날리티 소실

이러한 성형에 수반되는 변형의 대책의 대략적인 내용은, 성형 계약 메이커님 등의 홈페이지에도 알기 쉽게 해석되고 있으시기 때문에, 흥미가 있는 분은 검색해 보세요.

그럼, 연속 사용 환경인 장기에서는 무슨 일이 일어나 수지가 변형해 버리는 것일까요? 공정에 비해 훨씬 낮은 온도이지만, 고려해야 하는 다음과 같은 과제가 있습니다.

・장기：고온하에서의 크리프 피로에 의한 변형

커넥터는 원칙적으로 스프링으로 금속끼리를 밀어 넣는 것으로, 낮은 전기 저항치로의 접속을 성립시키고 있습니다. 금속 부품을 지지하는 수지 부품이기도 한, 하우징 에도 스프링의 반력이라는 형태로 응력이 걸립니다. 따라서 커넥터가 끼워진 상태에서 장기간 고온하에 두면 다음과 같은 문제가 발생할 위험이 생깁니다.

금속 어닐링

금속부품에도 「성형/형성시의 변형을 취할 수 있다」로 생기는 고내열에 대한 과제가 있습니다. 그것은 금속 어닐링 입니다. 이 현상은 단기 공정에서의 가열에서도 발생할 수 있지만, 주로 연속 사용 온도 하에서의 장기 수명과 관련된 과제이다. 이 이야기는 본 사이트 기술 정보 내의 「커넥터란」의 「고내열 커넥터」 「고온하에서의 안정된 접속에 필요한 것」의 항에서도 접하고 있습니다. 다음은 그 인용입니다.

내열성에서 특히 중요한 것은 고온 환경에서 접촉 저항을 유지하는 것입니다. 커넥터의 단자, 소위 연결부는 주로 구리 합금으로 이루어져 있습니다. 접촉 저항은 단자간의 접촉하는 압력에 의존합니다만, 통상, 페어의 커넥터의 한쪽 혹은 양측에 스프링 기구를 가지는 것으로 성립시키고 있습니다. 금속은 고온화에서는 "어닐링"이라는 연화 현상이 진행됩니다. 원래 커넥터 단자는 금속으로서 어느 정도의 「변형」을 가지는 것으로 스프링성을 유지합니다만, 고온화에서는 「변형」이 취해져 가고 스프링성이 약해져 버립니다. 이 약해지는 과정에서, 소정의 제품 수명간에 일관된 적정한 접압을 또한 한정된 공간·비용 내에서 실현할 필요가 있습니다. 너무 강하면 감합이 어려워지기 때문에 초기의 접압은 그다지 강하지 않을 것. 한편, 어닐링이 진행되어도 필요한 접압을 유지하는 것. 이를 위해서는 적절한 금속 재료를 선택하는 것 외에도 다양한 연구를 거친 터미널 모양의 설계 기술이 중요합니다.

금속 어닐링

인용원에서 설명한 바와 같이, 금속의 어닐 후에도 접압을 유지하려고, 장난에 초기의 접압을 올리면, 커넥터의 끼워맞춤이 장난으로 굳어져 버리거나, 도금을 꽉 깎아 버리게 되어 버립니다. 그러므로, 어닐링이 일어나기 어려운 재료를 사용하거나, 「에 어려운」스프링을 가지는 단자 형상을 궁리하거나 하는 것입니다. 재질면에서는, 종래부터 범용적으로 넓게 커넥터의 스프링재에 사용되는 인청동에 비해 코르손 구리 합금 이나 베릴륨 구리와 같은 구리 합금은, 어닐이 일어나는 온도가 높은, 즉 고내열이며 당사에서는 특히 코르손 구리를 고내열 제품에 사용하는 것이 많습니다. 단자 형상은 다양합니다만, 예외 없이 한정된 공간 중에서 최적화를 목표로 한 구조로 되어 있어, 고내열 커넥터는 특히 그 노하우의 살릴 곳이 됩니다.

여기까지 설명해 온 것 같은 과제를 극복한 앞에 당사의 고내열 커넥터=125℃ 정격품은 성립하고 있습니다. 그런데 고내열 제품에는 부차적인 장점도 있습니다. 그 설명은 다음과 같습니다.

고내열 제품을 사용하는 부차적인 장점 고내열이라면 허용 전류값도 올라간다

그런데, 다음이 마지막 항목이 됩니다만, 커넥터와는 다른 부재와의 매칭으로 고내열의 과제가 되고 있는 케이스에 조금 접해 봅니다.

결합 상대 문제: FFC 연결은 각 정격 온도만으로는 판단할 수 없다

커넥터의 종류 중에는 당사도 취급하고 있는 FPC/FFC 커넥터라고 하는 것이 있습니다. 이 타입에서도 고내열품=125℃ 정격의 제품을 준비하고 있습니다만, 현재 감합 상대는 FPC에 한정하고 있습니다. 한편으로 아직 많지는 않지만, 각 FFC의 메이커 님보다 125℃ 대응품은 몇개인가 릴리스 되고 있습니다. 모든 제품에 대해 검증을 실시한 것은 아니지만, 현재까지 평가한 바 당사 제품과의 조합으로 「125℃ 정격의 접속」을 보증할 수 있는 FFC는 발견되지 않았습니다. 양쪽 모두 125℃ 정격인데 왜 그대로 사용할 수 없는 것일까요?

첫째로, FFC는 전선의 연장에 있다는 것을 들 수 있습니다. 최근에는 그만둔 곳도 많습니다만, 이전에는 일본 국내도 주요한 전선 메이커님의 대부분이 FFC를 제품 라인 업에 가지런히 하고 있었습니다. 정격 온도의 근거가 되는 것도 UL의 AWM(Appliance Wiring Material)이라고 하는 기기내 배선용의 규격에 근거하는 것이 주류인 것 같습니다. 이들에서는 주로 장기 사용에 있어서의 절연체의 굽힘 내성 등도 건전성 등이 요구됩니다. 수명으로 예상되는 시간은 차량용 커넥터 기준의 1000시간보다 훨씬 길고 그 점에서 더 엄격하다고 할 수 있습니다. 한편, 커넥터와의 끼워 맞춤이라는 기능면의 요구는 UL의 AWM중에서는 요구되지 않습니다. 그렇다면 실제로 커넥터와 함께 예를 들어 고온에서 125 ° C에서 계속 사용하면 어떤 일이 발생합니까?

FFC에서는 라미네이트 공정에 있어서, 기재가 되는 절연 필름과 도체를 열가소성의 접착제로 붙입니다. 커넥터와의 접점부의 도체 아래에도 이 열가소성 접착제가 존재하고 있습니다.

FFC 커넥터와의 접점부

그런데 커넥터와의 접점부에는 커넥터와 끼워맞춤 상태에서는 커넥터의 단자에 의해 계속 국소적인 응력이 계속 걸립니다. 도체 하부의 접착제는 열가소성이므로, 연화해 옵니다. 이에 따라 「수지의 변형」의 항목에서 설명한 크리프가 일어나, FFC가 변형하는 것으로 건전한 접압을 유지할 수 없는 곳까지 도체가 도망쳐 버려, 접촉 저항 이상이 발생합니다. 과도한 경우에는 풀린 접착제가 도체에 돌려 접촉을 방해할 수 있습니다.

고온에서의 FFC 연결 문제

FPC의 경우는 접착제가 열경화계의 것이 대부분이므로 같은 문제는 발생하지 않고 그대로 커넥터와 정격 온도까지 사용이 가능합니다. FFC의 접속에는 커넥터가 필요하고, 커넥터에서 보면 FPC뿐만 아니라 FFC라는 선택사항이 늘어나는 것으로, 보다 넓은 어플리케이션에 대응할 수 있게 됩니다. FFC에서의 이 과제는, 우리 커넥터 메이커가 단독으로, 혹은 FFC의 메이커님들이 단독으로 임해야 할 문제가 아니고, 서로 협력하면서 성립점을 찾아내야 합니다. 커넥터로서는 보다 낮은 응력, 혹은 FFC의 변형에 추종해 접압을 유지할 수 있는 접점이나 전혀 다른 어프로치로부터의 접속 방법 개발 등, FFC 메이커님에게는 접압 내성을 올린 FFC의 개발을 해 주시는 등이 필요합니다. 당사에서도 일부 FFC 메이커와 협업하고 있습니다. 조만간 125℃ 대응의 FFC 접속을 실현한 제품을 선보일 수 있을지도 모릅니다.

마지막으로

이번은 고내열 커넥터의 각 장르에서의 차이로부터 시작되어, 몇개의 기술 포인트의 이야기를 했습니다. 실은 이 영역은 노하우의 덩어리로 웹 사이트상에서는 좀처럼 돌진한 설명을 할 수 없기 때문에, 표면적인 설명에 그치고 있습니다. 기술적인 부분은 조금 부족한 내용이 되어 버렸을지도 모릅니다. 그래도 이것을 계기로, 커넥터의 고내열화에 다양한 대처가 있는 것 등을 알아 주셔, 흥미를 가지고 자학되는 분이 계시면 매우 기쁘게 생각합니다.

여기에 당사의 125℃ 대응 고내열 커넥터를 소개하고 있으므로, 꼭 봐 주세요.