KR100486612B1

KR100486612B1 - 통신 시스템 백플레인용 탄성 압입 핀

Info

Publication number: KR100486612B1
Application number: KR10-1999-0048349A
Authority: KR
Inventors: 정명영; 안승호; 최상국; 신동필; 최태구
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2005-05-03
Also published as: KR20010045156A; US6213817B1

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야

본 발명은 고밀도 통신시스템에서 백플레인 접속용으로 사용되는 탄성 압입 핀(Compliant Pres-fit Pin)에 관한 것으로, 특히 통신 시스템 백플레인용 탄성 압입 핀에 관한 것임.

2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

본 발명은 백플레인의 백플레인 홀(PTH)에 삽입되는 경우 백플레인 홀(PTH)의 파손을 고려하여 적정 수준의 삽입력을 가지며, 핀의 전기적 특성을 고려하여 높은 접촉력(Retention force)을 가지도록 하기 위한, 통신 시스템 백플레인용 탄성 압입 핀을 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결 방법의 요지

본 발명은 통신 시스템 백플레인용 탄성 압입 핀에 있어서, 탄성 압입부의 전방부는 붙어 있고 후방부가 떨어져 있는 형태를 갖는 자유단; 및 상기 탄성 압입부의 전방부와 후방부가 모두 붙어 있는 형태를 갖는 고정단을 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 통신시스템에서 백플레인 접속용 등으로 사용됨.

Description

통신 시스템 백플레인용 탄성 압입 핀{Compliant press-fit pin for backplane system}

본 발명은 고밀도 통신시스템에서 백플레인 접속용으로 사용되는 탄성 압입 핀(Compliant Pres-fit Pin)에 관한 것으로, 특히 통신 시스템 백플레인용 탄성 압입 핀에 관한 것이다.

통신 시스템을 구성시 종래에는 백플레인과 가입자 기판(Daughter Board)을 연결하는 커넥터(Connector)로 원-피스(One-Piece) 커넥터인 카드 에지(Card Edge) 커넥터가 많이 사용되고 있었는데, 통신 시스템의 신호 처리, 전송 속도의 고속화 및 고밀도 실장화를 만족시키기 위해 투-피스(Two-piece) 커넥터로 대치되고 있다.

투-피스(Two-pice) 커넥터에는 납땜형과 비납땜형(Solderless)이 있고, 납땜형의 단점들 때문에 비납땜형 투-피스(Two-piece) 커넥터를 사용한다.

이 비납땜형은 다시 강체 핀과 탄성 압입 핀의 두가지로 나누어지는데, 비납땜형의 장점은 고밀도, 고신뢰성, 수리의 용이성 및 경제성 등이 뛰어나다는 점이다. 비납땜형 커넥터는 납땜없이 신뢰성을 나타내야 하므로 대부분 탄성 압입 핀의 구조를 갖는다. 탄성 압입 핀은 백플레인에 있는 백플레인 홀(PTH:Plated Through Hole)(이하, 간단히 "PTH"라함)과 탄성적으로 결합한다.

탄성 압입 핀은 여러 가지 형상이 개발되어 있는데 단면의 형상에 따라 단면 형상을 가지는 형태와 분할 형상을 가지는 형태로 나눌 수 있다. 단면 형상을 가지는 탄성 압입 핀으로는 C형, N형 ,M 형, S형, V형 등이 있고, 분할형 탄성 압입 핀으로 액션 핀(Action Pin)이 있다.

상기한 바와 같은 종래의 핀 들은 각각의 장점을 가지고 있으나, 일반적으로 삽입력이 강하며 접촉력이 불량할 뿐만 아니라, 가공이 난이하고 고밀도화에 따른 PTH 크기의 감소로 인하여 상용화에 많은 문제점을 지니고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 백플레인의 백플레인 홀(PTH)에 삽입되는 경우 백플레인 홀(PTH)의 파손을 고려하여 적정 수준의 삽입력을 가지며, 핀의 전기적 특성을 고려하여 높은 접촉력(Retention force)을 가지도록 하기 위한, 통신 시스템 백플레인용 탄성 압입 핀을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 통신 시스템 백플레인용 탄성 압입 핀에 있어서, 탄성 압입부의 전방부는 붙어 있고 후방부가 떨어져 있는 형태를 갖는 자유단; 및 상기 탄성 압입부의 전방부와 후방부가 모두 붙어 있는 형태를 갖는 고정단을 포함한다.

즉, 본 발명은 통신 시스템 백플레인용으로서 피치 2.0mm의 고밀도 접속(High density connection)에 요구되는 새로운 구조의 탄성 압입 핀에 관한 것으로, 이 탄성 압입 핀은 탄성 압입부에서의 삽입력(Insertion Force)을 낮추기 위한 방법으로 탄성 압입부를 자유단(Free end)과 고정단(Fixed end)의 두 부분으로 비대칭적으로 구성하였으며, 이 탄성 압입부의 자유단을 외팔보(Cantilever beam) 형태로 두고 고정단의 전방부에 이어져 있다.

탄성 압입 핀은 백플레인에 있는 백플레인 홀(PTH:Plated Through Hole)(이하, 간단히 "PTH"라함)로 삽입되는데, 탄성 압입 핀은 높은 스프링력을 지니고 있어야 하나, PTH가 파괴되는 것은 막아야 한다. 이런 이유로 탄성 압입 핀이 소성 변형(Plastic deformation)을 하더라고 PTH가 파괴되는 것을 막기 위해 삽입력의 수준을 낮추는 것이 중요하다.

또한, 본 발명에서는 삽입력을 낮추는 탄성 압입부를 가지는 탄성 압입 핀의 구조를 시뮬레이션(Simulation)을 통하여 요구 조건을 검증한 후, 제조공정이 단순한 자유단과 고정단을 갖는 비대칭적인 핀을 제안하였다.

이하, 도 1 내지 도 5 를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1a 내지 도 1d 는 본 발명에 따른 탄성 압입 핀이 결합되는 백플레인 홀(PTH) 구조 및 결합도의 일실시예 설명도로서, 도 1a 는 탄성 압입 핀과 백플레인에 대한 그림이다.

탄성 압입 핀(101)은 외팔보 형태의 자유단(103)과 고정단(104)의 두 부분을 가지는 탄성 압입부(107)와 랩 포스트(wrap post)(108)로 구성되어 있다.

탄성 압입 핀(101)은 화살표 방향(106)으로 백플레인(102)의 PTH(105)에 삽입되는데, 외팔보 형태의 자유단(103)과 고정단(104)의 두 부분을 가지는 탄성 압입부(107)에 의해 탄성적으로 압입된다.

2mm 피치의 백플레인 커넥터(Connector) 시스템에서는 규격에 의해 탄성 압입 핀(101)과 PTH(105)의 치수들이 정해지는데, 기본적으로 2mm 피치에서 PTH(105)의 지름은 0.55-0.65mm로 정해져 있다. 이 기준에 의해서 탄성 압입 핀(101)의 압입부(107)에 대한 치수의 한계를 정할 수 있다.

도 1b 는 PTH(105)의 절단면 A-A' 를 나타낸 그림으로, 백플레인(102)의 PTH(105)의 치수와 도금 치수에 대하여 나타내고 있다. PTH(105)에 0.7±0.02mm 지름의 구멍을 뚫고, 구리 또는 구리와 주석/납(Sn/Pb)의 합금의 도금(Plating)으로 PTH(105)를 구성한다.

도 1c 는 탄성 압입 핀(101)의 탄성 압입부(107)의 B-B' 단면을 나타낸 그림으로, 도 1d 와 같이 PTH(105)에 삽입되어 PTH에 탄성 접속을 한다.

도 2 는 본 발명에 따른 탄성 압입 핀의 일실시예 구조도이다.

탄성 압입부(107)의 전방부의 각도(Front angle)와 후방부의 각도(Rear angle)를 각각 전방각(201)과 후방각(202)으로 표현한다.

탄성 압입 핀(101)이 삽입되면서 전방각의 적절한 제어를 통하여 삽입력이 결정되며, 삽입 후 자유단(103)의 변형에 의하여 PTH(105) 내부에서 탄성 변형에 의한 유지력이 발생한다. 이러한 유지력에 의하여 PTH와 커넥터 핀이 전기적으로 결합되며, 중요한 접촉 저항은 접촉 유지력(Retention force)이 증가할수록 접촉 면적이 넓어져서 낮은 값을 갖게 된다.

도 3a 내지 도 3c 는 본 발명에 따른 탄성 압입 핀의 각도(Angle) 변화에 따른 삽입력 및 인출력(Withdrawal force)의 변화를 나타낸 일실시예 그래프로써, 전방각(201)과 후방각(202)의 변화에 따른 핀의 삽입력과 인출력의 변화를 나타내고 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 후방각(202)이 작을수록 삽입력과 인출력이 증가되는 것을 알 수 있다. 이 때, 삽입력과 인출력의 한계치를 가지고 전방각(201) 범위를 정할 수 있다.

전방각(201)과 후방각(202)에 대해서 각각 150°,160°, 170°를 조합한 9개의 모델에 대해 해석한 결과를 그래프로 나타내었다.

즉, 도 3a 는 후방각을 150°로 하고 전방각을 각각 150°,160°, 170°로 하여 해석한 결과를 나타낸 것이고, 도 3b 는 후방각을 160°로 하고 전방각을 각각 150°,160°, 170°로 하여 해석한 결과를 나타낸 것이며, 도 3c 는 후방각을 170°로 하고 전방각을 각각 150°,160°, 170°로 하여 해석한 결과를 나타낸 그래프이다.

자유단(103)과 고정단(104)의 폭은 각각 0.25mm로 하였고, 처음의 최대 변위폭(203)은 0.4mm로 하였다. 대부분의 경우 삽입력은 삽입되는 동안 점점 증가하여 완전히 삽입되기 직전에 최대를 나타낸다. 탄성 압입 핀(101)이 PTH(105)에 삽입될 때의 삽입력과 인출력의 한계는, 삽입력은 250 Newtons 을 넘지 않도록 해야 하며, 접촉력은 20 Newtons 이상으로 규격으로 정해져 있다.

전방각과 후방각의 조합에서 150°의 전방각과 150°의 후방각의 모델이 가장 큰 삽입력과 인출력을 나타내었다.

탄성 압입 핀(101)이 백플레인(102)의 PTH(105)에서 제거될 때 삽입시와 미찬가지로 고려된 사항은 탄성 압입 핀(101)의 기본 구조가 한 쪽이 자유로운 비대칭형 구조를 가지고 있기 때문에 한쪽으로 치우치는 좌굴(Buckling)이 고려되었다.

이 탄성 압입 핀의 구조는 고정단(104)은 전방각(201)과 후방각(202)이 있으며, 자유단(103)은 전방각(201) 만을 가지고 있다. 이 구조에서 전방각과 후방각은 모두 반경 반향의 힘에 영향을 미치나, 후방각은 핀이 제거되었을 때 핀이 휘는데 영향을 끼친다. 후방각 역시 150°~170°에 대해 해석해 보았는데, 170°에서 가장 작은 편심량을 나타내었다.

핀의 제거시 핀의 인출력 역시 핀이 진행되는 동안 변하여 점점 작아진다. 이 인출력으로 핀이 삽입된 후 영구변형이 진행된 후의 탄성 압입 핀(101)의 반경 방향의 힘을 추측해 낸다. 인출력 역시 핀이 제거되는 초기의 상태의 힘이 사용되는데 이 값은 최대값이 된다. 이런 현상은 후방각(202)보다는 핀의 후방부의 형상에 관계가 있었다. 그래서 후방부의 형상을 본 발명과 같이 변화시켜 해석을 수행함으로써 좌굴량을 감소시켰다.

전방각과 후방각에 따라 설계된 모델에 반경 방향의 힘들의 합을 삽입이 진행되는 동안의 시간에 따라 그래프로 나타내었다. 이 반경 방향의 힘들의 합을 사용하여 삽입력의 한계와 접촉력의 한계에 드는지를 판단해 보았다. 각 탄성 압입 핀의 모델들은 삽입력 측면에서는 모두 한계 삽입력의 조건인 25kgf보다 낮은 수치를 나타내고 있어 규격을 만족하고 있지만, 접촉력 측면에서는 전방각(201)과 후방각(202) 모두 170°인 경우에서는 2kgf보다 낮아 규격에 만족하지 못하는 것으로 판단된다.

전방각(201)이 삽입력이나 인출력에 많은 영향을 끼치며, 또한 핀에서 스프링력의 대부분을 전방부에서 담당하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 고안에서는 전방각(201)의 범위를 150°~160°로 이루게 함이 바람직하다.

탄성 압입부(107)의 두개의 단에서 후방부가 떨어져 있는 단을 자유단(103), 붙어 있는 단을 고정단(104)이라 한다. 자유단(103)의 폭과 고정단(104)의 폭은 PTH의 최소 지름에 의해서 결정되어지는데, 자유단(103)의 폭과 고정단(104)의 폭을 같게 하면 PTH의 최소 지름에 반을 결정할 수 있다.

최대 변위 폭(203)은 핀이 탄성 작용하는 데 중요한 치수가 된다. 최대 변위 폭(203)은 PTH의 최대 지름에 의해 최소 치수가 정해진다. 치수 (204)는 핀의 편심에 영향을 미친다.

최대 변위 폭(203)의 허용 한도는 양 단의 폭이 각각 최대 폭인 0.275mm일 때, 0.1~0.45mm이다. 이 수치의 최소 값은 PTH의 최대 직경인 0.65mm일 때 탄성력이 0인 경우이므로, 이 값보다는 커야한다. 최대 값 0.45mm는 하우징(Housing)의 치수를 참조한 값으로, 하우징이 핀과 결합될 곳의 치수는 1.0~1.15mm 이므로, 이 치수의 최소값을 기준으로 0.45 mm으로 결정하였다.

도 4a 및 도 4b 는 본 발명에 따른 탄성 압입 핀의 재료 변화에 따른 삽입력과 인출력의 변화를 나타낸 일실시예 그래프로서, 재료의 물성치에 따른 해석 결과이다.

즉, 도 4a 는 각 재료(인청동521s, 베릴륨 동, 인청동521H)에 따른 삽입력의 변화를 나타낸 것이며, 도 4b 는 각 재료(인청동521s, 베릴륨 동1/2 ht, 인청동521H)에 따른 인출력의 변화를 나타낸 것이다.

스프링력 측면에서 보면 베릴륨 동(Berryrum Copper)이 가장 좋은 결과치를 나타내고 있다. 인청동(Phospher Copper)에 비해서 탄성계수나 항복강도 측면에서 보다 나은 물성치를 보이고 있기 때문이다.

인청동 521H와 인청동 521s, 베릴륨 동 C1720R-1/2HT의 물성치를 가지고 해석을 실시하였다. 항복강도는 베릴륨동 C1720R-1/2HT가 가장 높고, 다음이 인청동 521s, 인청동 521H 순이다. 이에 따라서 삽입력과 인출력을 그래프로 나타내었는데, 삽입력 측면에서는 현재의 모델이 모두 삽입력의 기준인 25kgf보다 낮은 값을 나타내어 기준을 만족하였으며, 베릴륨 동과 인청동 521S는 인출력 측면에서 기준치 2kgf를 넘어서고 있지만, 인청동 521H는 아주 낮은 수준을 나타내고 있다.

베릴륨 동은 인출력이 4.5kgf을 넘고 있고, 인청동 521S는 2.4kgf정도를 나타내고 있으며, 인청동 521H의 경우 1.4kgf정도로 재료로서 적합하지 않음을 보이고 있다.

도 5 는 본 발명에 따른 탄성 압입 핀의 최대 변위폭(Displacement gap)의 변화에 따른 삽입력과 인출력의 변화를 나타낸 일실시예 그래프로써, 최대 변위 폭(203)이 0.2mm 에서 더 나은 결과를 보인다.

탄성 압입 핀(101)에서 같은 전방각(201)과 후방각(202)을 가지더라도, 최대 변위폭(203)에 따라 실제 스프링력을 담당하는 경사부의 길이가 달라진다. 이 때문에 같은 각을 갖을 때 최대 변위 폭이 클 경우, 경사부의 길이가 길어져 보다 낮은 스프링 효과를 나타내게 된다.

하지만, 최대 변위 폭이 0.2mm 인 경우에는 현재 설계하고 있는 핀의 두께가 0.4mm 이므로 최대 변위 폭대 핀의 두께가 1/2정도가 되어 가공상에 문제가 발생하기 쉽다. 허용 범위 내에서 최대 변위 폭을 넓게 잡기 위해 최대 변위 폭 0.4mm를 기본으로 하였다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, 통신 시스템에서 많이 사용되고 있는 백플레인용 비납땜식 커넥터 핀을 새로운 구조로 구현한 것으로써, 외팔보 형태로 설계되어 있어 기존 제품이 갖는 높은 삽입력을 낮출 수 있고, 접촉력은 높일 수 있으며, 소형화의 장애물인 가공의 용이성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존 제품의 단점을 극복하여 향후 고밀도 통신시스템에서 백플레인 접속을 용이하게 할 수 있는 우수한 효과가 있다.

도 1a 내지 도 1d 는 본 발명에 따른 탄성 압입 핀이 결합되는 백플레인 홀 구조 및 결합도의 일실시예 설명도.

도 2 는 본 발명에 따른 탄성 압입 핀의 일실시예 구조도.

도 3a 내지 도 3c 는 본 발명에 따른 탄성 압입 핀의 각도 변화에 따른 삽입력 및 인출력의 변화를 나타낸 일실시예 그래프.

도 4a 및 도 4b 는 본 발명에 따른 탄성 압입 핀의 재료 변화에 따른 삽입력과 인출력의 변화를 나타낸 일실시예 그래프.

도 5 는 본 발명에 따른 탄성 압입 핀의 최대 변위폭의 변화에 따른 삽입력과 인출력의 변화를 나타낸 일실시예 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101 : 탄성 압입 핀 102 : 백플레인

103 : 자유단 104 : 고정단

105 : 백플레인 홀(PTH) 106 : 탄성 압입 핀 삽입방향

107 : 탄성 압입부 108 : 랩 포스트(Wrap post)

Claims

통신 시스템 백플레인용 탄성 압입 핀에 있어서,

탄성 압입부의 전방부는 붙어 있고 후방부가 떨어져 있는 형태를 갖는 자유단; 및

상기 탄성 압입부의 전방부와 후방부가 모두 붙어 있는 형태를 갖는 고정단

을 포함하는 백플레인용 탄성 압입 핀.
제 1 항에 있어서,

상기 자유단 및 상기 고정단이 비대칭적으로 구분되며, 상기 자유단은 외팔보 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 백플레인용 탄성 압입 핀.
제 1 항에 있어서,

상기 탄성 압입부의 전방각을 150도 내지 160도 사이의 값으로 하는 것을 특징으로 하는 백플레인용 탄성 압입 핀.
제 1 항에 있어서,

상기 탄성 압입 핀의 재료로서 베릴륨 동이 사용되는 것을 특징으로 하는 백플레인용 탄성 압입 핀.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 자유단과 상기 고정단의 폭이 0.2 미리미터 내지 0.4 미리미터 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 백플레인용 탄성 압입 핀.