高電流端子如何安全供電，同時減少組裝時間和功率損耗

工業系統設計人員越來越常利用電子控制，致力提升效率。隨著電子控制的運用，對更小尺寸的需求應運而生，以便節省空間並降低成本。但是，尺寸一縮減，設計人員便在高功率連接方面遇到更多挑戰。高電流 PC 板連接器與電源線都需要較粗且耐用的連接，因此尺寸無法像數位電子元件一樣快速縮減。此外，這些高電流連接點都必須適用於 PC 板製程，無論是針對表面黏著式還是通孔式製程。同時，還要管理預算緊縮和上市時間縮短等問題。

為了達成這些要求，開發人員在開發高功率電子元件時，必須密切關注 PC 板高功率端子及其組件的設計與選擇。此外，高電流端子可能還需要額外的組裝時間，才能保證穩固的焊接式連接。

本文將概要探討與高功率端子相關的問題，並說明高功率 PC 板設計人員如何受惠於專用型高電流 PC 板端子。文中將以 Würth Elektronik 的解決方案為例，介紹合適的端子如何能在系統之間可靠地傳送高電流，並加速自動化組裝，同時還提供較高的機械穩定性與非常低的連接電阻。

端子如何造成功率損耗

工業系統設計人員時常需要供應並控制大約數百安培的高電流。電力供給系統的高電流端子與數位控制電子元件通常會位於同一片 PC 板上。控制半導體的整合度越來越高，PC 板的面積也隨之縮小。這種尺寸縮減為高功率電子元件的設計人員帶來三個問題。

第一個問題是要考量 PC 板電子元件在極端溫度、濕度和氣體環境的表現。如果連接不具氣密性，工業製程產生的氣體會使高電流連接氧化或腐蝕，造成連接效率不彰，進而導致功率損耗或設備故障。這些問題難以診斷，有時連最為仔細的目視檢查都無法發現。

第二個問題是處理高功率連接的效率。隨著功率位準提升，即使連接電阻僅有最小的增幅，也會導致功率損耗，以及熱量明顯增加。按照歐姆定律，有不良焊點的 25.0 A 端子導致僅 0.050 Ω 的電阻，而這卻會在焊點處產生 25.0² x 0.050 = 31.25 W 的損耗。除了損耗，生成的熱量會縮短鄰近電子元件的使用壽命。在最糟的情況下，熱量可能導致燃燒或火災。

第三個問題是要確保高電流端子可以與用來組裝 PC 板的製造方法相容。對於大量 PC 板製造來說，所有元件都比較適合使用表面黏著技術。相較於通孔式技術，表面黏著組裝會縮短組裝時間，降低人工成本，同時還能維持品質。但是，表面黏著 PC 板端子會受限於個別端子的載流能力。通孔式迴流焊 PC 板端子能輕易承載比表面黏著技術更多的電流，同時提供非常高的機械穩定性。但是，相較於表面黏著，通孔式或混合式 PC 板生產線可能需要兩倍的廠房空間，以及額外的人工和組裝時間，反而變成更昂貴的組裝方法。

無論組裝流程為何，都必須維持品質；對生產線來說，這就意味著要致力減少錯誤。因此，對高電流端子來說，通孔式可能更可靠，因為按端子特性來看，其在迴流焊接流程中彈出的可能性更小。由於表面黏著高電流端子需要更大的覆蓋區，因此將焊膏均勻地塗在整個焊墊上至關重要。若是塗不均勻，焊墊會在焊接迴流期間加熱不均勻，導致端子一端隆起，形成表面黏著元件的立碑現象。

高能效高電流端子

Würth Elektronik 開發出 REDCUBE 端子產品系列，透過彈性的製造選項來支援高電流，以便解決高電流端子的潛在問題。這些端子採薄型設計，因此能更快將熱散逸到到環境中，也能讓更多氣流前往鄰近區域，進而加強周圍電子元件的冷卻效果。REDCUBE 端子專為極低的焊接面電阻而設計，因此能供應高達 500 A 的電流，卻只有極少的功率損耗或熱生成。

此系列可支援表面黏著、通孔式迴流焊及壓合 PC 板製程。如此一來，工業系統 PC 板設計人員便能將單一供應商的端子標準化，在不同製程中輕鬆以目視方式辨識端子，並簡化採購作業。

表面黏著高電流端子

設計人員可採用 Würth 的 REDCUBE SMD 工業端子系列，達到與表面黏著元件 (SMD) PC 板製造相容。這些端子支援完全自動化的表面黏著組裝，同時注重產生最少的熱量。對於板對板的電氣連接，這些端子可支援高達 85 A 的電流。

以 7466003R 元件為例，此元件的螺紋為 M3，且在 20°C 下的額定電流為 50 A (圖 1)。此端子直徑覆蓋區不大，只有 8.3 mm。圓形覆蓋區可提升生產良率，其實現方法是：端子的重量分佈均勻，因此可減少立碑現象；並去除掉可能無法塗上焊膏的尖銳角落。REDCUBE SMD 7466003R 的本體以耐用的銅製成，而且表面鍍上錫，其額定溫度為 -55°C 至 +150°C。

圖 1：REDCUBE SMD 7466003R 工業端子的覆蓋區小，僅有 8.3 mm，並且依據其額定值可安全承載高達 50 A 的電流。本產品隨附已連接的橘色 Mylar 接片；此接片可在置於表面黏著 PC 板前，使用自動拾放設備取下。(圖片來源：Würth Elektronik)

為了提供最佳連接並減少熱量，建議將 M3 螺紋與同樣鍍錫的螺絲和端子配接。這樣可使 7466003R 與多數功率端子和螺絲相容。橘色 Mylar 接片可保護待焊接的側面，在組裝前不會接觸到污染物和指紋。如此便有助於確保獲得良好的表面黏著焊接連接以及最小的連接電阻。此外，在端子與鍍錫螺絲配接前，也建議保護 M3 螺紋和端子頂端，使其不會接觸到任何污染物，以免影響嵌入螺絲和接片的配接電阻。這包括手指不能觸碰螺紋頂端。

通孔式 PC 板端子

對於需要通孔式元件的工業應用，Würth 提供了 REDCUBE THR 系列產品。這些產品可支援自動化通孔式迴流焊 PC 板組裝作業。舉例來說，74651195R 是一款九支引腳的通孔式直式螺絲端子，配有鍍錫的 M5 螺紋，旨在用螺帽固定纜線接片 (圖 2)。工作溫度範圍為 -55°C 至 +150°C，在 20°C 下的額定電流為 85 A。

圖 2：REDCUBE THR 74651195R 在 20°C 下的額定電流為 85 A，配有 M5 直式螺絲端子。PC 板的九支引腳可提供機械穩定性，以免受到剪力和撕裂力的影響。(圖片來源：Würth Elektronik)

74651195R 的九個引腳以 3 x 3 網格排列，這是專為達到最佳的可焊性而設計，同時具備機械穩定性，以免受到剪力和撕裂力的影響。74651195R 是在實心銅片上鍍錫製成，載流能力與扭矩容差均優於衝壓端子。藉助這種設計，74651195R 成為高功率工業應用的理想選擇，連接的纜線可從任何角度拉扯。

74651195R 採薄型設計，總高度超過 10 mm 的 PC 板，螺絲長度為 7 mm。這可支援標準的 M5 纜線接片以及帶細小螺紋的鎖定螺帽，能讓氣流便於環繞端子以加強冷卻效果。

適合相當高電流的壓合式端子

對於需要相當高電流的電源供應器和工業系統應用，Würth 開發出額定電流高達 500 A 的 REDCUBE PRESS-FIT 產品系列。這些端子不使用迴流焊或波峰焊接，反而會以機械方式壓合到以焊料電鍍的 PC 板孔中。將端子壓合到 PC 板孔內所產生的摩擦會形成氣密的冷焊連接，接觸電阻則小至 200 µΩ。

帶 M8 螺紋的 7461090 螺絲端子，便是一個解決方案範例 (圖 3)。在 20°C 下的額定電流為 350 A，工作溫度為 -55°C 至 +150°C。為了處理此電流，7461090 配有 20 個壓合式引腳，且這些引腳不需要使用任何熱焊接方法。壓合式方法使用與通孔式元件相同的 PC 板孔，消除了冷焊接面等任何可焊性問題。此外，這 20 個壓合式引腳不用像焊接過的通孔一般需要超出 PC 板，甚至可在沒有任何焊尾的情況下就能在 PC 板內部進行端接。這將有助於預防在 PC 板底下的高電流端子發生意外短路，因而改善系統安全性。

圖 3：REDCUBE PRESS-FIT 7461090 工業螺絲端子無需波峰焊接或迴流焊接等方法，就能壓合到 PC 板孔內。本產品獨特的設計僅出現相當小的接觸電阻，因此可應對高達 350 A 的電流 (圖片來源：Würth Elektronik)

M8 鍍錫螺紋的厚度為 13.5 mm。若要接觸電阻最小且電流傳輸量最大，則應當選擇鍍錫螺絲，這樣組裝後的螺絲能穿過纜線接片，並以最長且實用的長度通過 REDCUBE 端子，而且不會接觸到 PC 板。如此在螺絲端子的整個長度上便有最大的接觸面積。

在組裝之前，務必要避免任何污染物或手指接觸到螺紋或端子頂端，因為就連污染物的最小電阻，都會在 350 A 下產生具有危險性的多餘熱量。

適合輕鬆連接和斷開的插頭式端子

有時候高功率工業系統需要在不同的電源間，輕鬆地重新配置和重新連接。針對這些應用，Würth 提供 REDCUBE PLUG 壓合式工業端子插座系列。這款壓合式端子能提供無螺絲端子連接的便利性，支援高達 120 A 的電流。

舉例來說，REDCUBE PLUG 7464000 在 20°C 下可處理高達 120 A 的電流，工作溫度範圍則在 -45°C 至 +125°C (圖 4)。這款 REDCUBE PLUG 包含鍍錫的銅合金插座，而且此插座封裝在紅色的玻璃纖維強化塑膠外罩中。若要將相容的插頭插入 6.2 mm 直徑的插座中，外罩頂端必須手動壓向 PC 板。這樣就能完全暴露插座，讓鍍錫插頭得以輕鬆插入。放開外罩頂端即可將插頭扣入定位。

圖 4：REDCUBE PLUG 7464000 插頭插座是一款壓合式端子，在 20°C 下的額定電流為 120 A。此產品能輕鬆連接和斷開高電流插頭，因此適合用於可重新配置的電源解決方案。(圖片來源：Würth Elektronik)

此外，在上方空間較低並難以接上螺絲或螺帽的區域，REDCUBE PLUG 7464000 插座插頭也是理想的解決方案。明亮的紅色可讓此插頭在插滿元件的 PC 板中輕易辨識出來。本產品具有 12 個壓合式引腳，緊密地排列在 3 x 4 網格中。7464000 提供的最大接觸電阻為 1 mΩ，因此適合用於相當高電流的應用中。

結論

設計的整合度越來越高，高功率系統的設計人員必須在效率、低損耗電力傳輸以及組裝簡易性之間進行取捨。因此，選擇適當的高電流 PC 板工業端子就變得相當關鍵。設計人員必須瞭解板件組裝流程、端子可安全處理的電流量，以及 PC 板連接方法等細節。

如本文所述，藉助具有彈性組裝選項的工業級端子，設計人員可對一條生產線進行標準化，因而簡化採購作業和產品互通性。這樣即可使工業系統安全傳輸電力，又能將組裝錯誤減至最少，進而提高生產良率，達到更短組裝時間和更低成本。