Thermoplasten, zoals LCP, zijn veelgebruikte materialen voor oplaadkabels en voedingsadapters in vroege versies van USB-connectoren. Nu hebben de nieuwste USB-C-connectoren meer dan het dubbele van de output van oudere oplaadkabels en adapters. Bij het ontwerpen van nieuwe USB-C-connectoren hebt u een materiaal nodig met een hoge CTI-classificatie voor het volgen van weerstand en superieure hechtsterkte, samen met materiaal eigenschappen die sterke laslijnen en dunne wanden mogelijk maken, om het risico op vonken en mogelijke brand te minimaliseren. We hebben een materiaal oplossing die goed gepositioneerd is om aan alles behoeften te voldoen.
Met de mogelijkheid om tot 240 watt vermogen te leveren bij 48 V, hebben USB-C-connectoren meer dan het dubbele van de output van oudere oplaadkabels en adapters. Ze kunnen een breder scala aan consumentenelektronica met veel hogere snelheden van stroom voorzien. Maar samen met hogere spanningen komt er meer elektrisch spanning bedradingsisolatiematerialen, waardoor het risico op elektrisch vonken en mogelijke brand toeneemt.
Als ontwerpingenieur begrijp je dat isolatiematerialen die worden gebruikt voor laadkabels en voedingsadapters bestand moeten zijn tegen stijgende niveaus van elektrisch en mechanisch rek, evenals tegen milieueffecten, zoals lage en hoge temperaturen en vochtigheid. Bovendien kan schade worden veroorzaakt door een opeenhoping van stof, zweet of vocht. Deze stressoren kunnen isolatiematerialen en -systemen versnellen en vergroten, waardoor het risico op elektrisch falen toeneemt dat wordt veroorzaakt door openingen tussen spuitgieten opnamen van Type C-connectoren, wat uiteindelijk leidt tot brandgevaar.
Aangezien de Europese Unie en andere regelgevende instanties de wijdverbreide acceptatie van USB-C als de nieuwe standaard voor het opladen van kleine en middelgrote elektronische apparaten tegen 2024 ondersteunen, is het absoluut noodzakelijk voor fabrikanten om elektrisch isolatiesystemen te ontwikkelen die de veiligheidsproblemen minimaliseren.
Een zwakke hechtkracht tussen gegoten onderdelen is een van de belangrijkste redenen waarom voedingsadapters defect raken. De gegoten onderdelen van USB-C-connectoren hebben kleine functies en dunne wanden. Hoewel het gieten van wisselplaten over het algemeen resultaten in een structureel stabiel onderdeel, kunnen er elektrisch storingen optreden wanneer er openingen ontstaan tussen de gegoten onderdelen.
Om nauwe toleranties en een goede pasvorm te bereiken, moet u een materiaal gebruiken voor het gieten van wisselplaten die een sterke hechtkracht biedt tussen de harslagen van de gegoten onderdelen. Deze materiaal moet ook bestand zijn tegen omgevingen met een hoge temperatuur en een hoge luchtvochtigheid. Liquid crystal polymeer (LCP) is gebruikt om micro-USB-connectoren te vervaardigen, maar vanwege de chemische structuur biedt dit materiaal geen voldoende sterke hechtkracht.
Envalior wetenschappers voerden een experiment uit om de bindingsprestaties van LCP en PA10T te vergelijken met Stanyl®, een hoogwaardige alifatische polyamide met een hoge kristalliniteit. USB-C-connectoren zijn ontwikkeld met behulp van insert molding met de volgende materialen: Stanyl HFX50S, LCP en PA10T.
Een dwarsdoorsnede van elke connector werd waargenomen onder een optische microscoop. De resultaten vertoonde duidelijke scheuren en gaten met PA10T. Er werden ook hiaten waargenomen met LCP. De Stanyl materiaal graad vertoonde een zeer soepele en goede hechting resultaten die veel hoger waren in kwaliteit. Onze wetenschappers concludeerden dat de superieure hechtsterkte van Stanyl veel hoger bleken te zijn dan concurrerende PPA's.
Om de risico's van elektrisch storingen en mogelijke branden veroorzaakt door vlamboogtracking tot een minimum te beperken, is het essentieel dat u een isolerende materiaal gebruikt met een hoge vergelijkende volgindex (CTI)-classificatie. Deze classificatie definieert de maximaal gemeten spanning die een materiaal kan weerstaan voordat er een elektrisch storing optreedt.
De prestaties van een isolerende materiaal kunnen worden bepaald door een gemeenschappelijke industrie test te volgen. Het omvat het plaatsen van 50 druppeltjes van een elektrolytoplossing (d.w.z. 0,1% ammoniumchloride) op de isolerende materiaal (meestal 3 mm dik) en vervolgens het meten van de snelheid waarmee een volgpad wordt geproduceerd op het oppervlak van de materiaal.
Onze wetenschappers voerden deze test uit om LCP-isolerende materiaal te vergelijken met Stanyl. Na te zijn blootgesteld aan 12 zoutwaterdruppels, vertoonden de connector gemaakt van LCP aanzienlijke brandplekken en elektrisch afbraak. Maar na het laten vallen van 60 zoutwaterdruppels op de connector gemaakt van Stanyl, bleef de isolatie materiaal structureel intact. De test toonde resultaten aan dat Stanyl effectiever was dan LCP bij het voorkomen van tracking tijdens het testen.
In vergelijking met vorige generaties zijn USB-C-connectoren ontworpen met een veel strakkere toonhoogte om de 24 connector pinnen te huisvesten. Om te voorkomen dat er kortsluiting ontstaat tussen de pinnen, is een dunwandige isolerende materiaal vereist die superieure weerstand kan aantonen om elektrisch te volgen in hoogspanningsomgevingen om potentieel ernstig brandgevaar te voorkomen.
Aangezien de afmetingen en toonhoogte van USB-connectoren in elke nieuwe generatie steeds kleiner worden, weet u dat USB-C-connectoren isolerende wanden vereisen die veel dunner zijn dan vorige generaties.
De aansluitafstand van de nieuwste USB-C connector-versie is 0,5 mm (over ons 0,02 inch), wat betekent dat de isolatie materiaal breedte slechts 0,3 mm (over ons 0,01 inch) is tussen de twee metalen aansluitingen. De dunste wand aan beide zijden van de USB-C-aansluiting connector kan tot 0.1 mm dalen in het overmold-proces. Om dit niveau van dunheid te bereiken, is het erg belangrijk om een thermisch plastic met goede vloeibaarheid te gebruiken.
Dunne isolatiewanden kunnen worden bereikt door gebruik te maken van Stanyl. Dit is een elektrovriendelijke en vlamvertragende polyamide met hoge temperaturen en biedt uitstekende creep-bestendigheid, sterkte, stijfheid en vermoeidheidsweerstand, niet alleen bij omgevingstemperaturen maar vooral bij hoge temperaturen, terwijl het tegelijkertijd cyclustijdvoordelen en een uitstekende doorstroming biedt.
Gedurende zijn levensduur moet een USB-C-connector bestand zijn tegen duizenden plaatsingen en verwijderingen terwijl apparaten worden opgeladen. Dit vereist dat u duurzame materialen kiest die de juiste balans vinden tussen taaiheid en stijfheid.
Wanneer USB-C-stekkerbehuizingen worden gegoten, wordt er een laslijn gevormd aan de voorkant van het stopcontact. Om de impact van het aansluiten en loskoppelen van apparaten te helpen absorberen, is de binnenkant van het stopcontact ook gevormd met dunne ribben. Het vereist een materiaal met high-flow eigenschappen. Als de laslijn zwak is, kunnen er scheuren ontstaan.
Bij het vergelijken van de sterkte van type C trek- staven gemaakt van verschillende materialen, bleek Stanyl de sterkste laslijnen te vertonen.
Envalior blijft onze materiaal oplossingen optimaliseren voor de productie van volgende elektronica die hogere vermogensniveaus verwerken en voldoen aan deze innovatietrends. Met meer dan 300 miljoen USB-C-connectoren gemaakt van onze materialen die momenteel op de markt zijn, zijn we bereid om met u samen te werken in elke fase van de ontwikkeling van elektronische apparaten die uw klanten gemoedsrust geven, beter presteren dan de concurrentie en u helpen nieuwe klanten te genereren.
Geavanceerde Engineering Manager
John Hsieh, advanced engineering manager voor Envalior, heeft 20 jaar ervaring op het gebied van productmanagement en technische marketing binnen de gehele waardeketen van elektronica. Hij werkt sinds augustus 2013 bij Envalior en heeft een masterdiploma in mechanisch engineering.
29 August 2023
