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關(guān)于LED支架防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

電子工程師 ? 來(lái)源:電源網(wǎng) ? 作者:電源網(wǎng) ? 2021-05-12 17:01 ? 次閱讀

一、液體流動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

流動(dòng)液體的性質(zhì)介于氣體和液體之間。它一方面像固體,具有一定的體積,不易壓縮;另一方面又像氣體,沒有一定的形狀,具有流動(dòng)性。流動(dòng)液體由于慣性力,粘性力等影響,內(nèi)部任意某處各個(gè)方向的壓力不相等。

流動(dòng)的液體在沿途中會(huì)受沿程阻力和局部阻力,由沿程阻力引起的機(jī)械能損失稱為沿程損失,克服局部阻力的能量損失稱為局部損失。全部的流動(dòng)液體的能量損失等于各段的沿程損失和各局部損失的總和。

LED支架是LED燈珠在封裝之前的基板,起到保護(hù)固晶焊線和硅膠成型的作用,導(dǎo)通電路,并影響到光、電特性。支架結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響到LED燈珠性能,目前很多燈珠死燈,經(jīng)顯微鏡觀察,燈珠內(nèi)的芯片并沒出現(xiàn)異常,而是連接芯片的合金線與金屬基板脫離造成斷路。如圖1所示。

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圖1:連接芯片的合金線與金屬基板脫離造成斷路

同時(shí),發(fā)現(xiàn)造成此種現(xiàn)象的燈珠都是直接或間接地裸露在空氣中點(diǎn)亮,空氣中存在有水汽。由此可以推斷出,LED支架的防濕氣結(jié)構(gòu)做得不好,導(dǎo)致濕氣滲入燈珠內(nèi),從而造成封裝膠在LED燈珠長(zhǎng)期點(diǎn)亮的環(huán)境下易與金屬基板脫離,使得拔斷焊接在金屬基板上的合金線,從而形成電路斷開。

隨著全球光源市場(chǎng)對(duì)LED的需求越來(lái)越大,LED燈珠的使用范圍越來(lái)越廣,使用者對(duì)LED燈珠性能的要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。如果LED支架的防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不好,不可避免的限制LED燈珠的使用條件、使用區(qū)域、使用領(lǐng)域等等。作為L(zhǎng)ED設(shè)計(jì)者和制造者,必定要在LED支架的防濕氣結(jié)構(gòu)上有所突破。

一、液體流動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

流動(dòng)液體的性質(zhì)介于氣體和液體之間。它一方面像固體,具有一定的體積,不易壓縮;另一方面又像氣體,沒有一定的形狀,具有流動(dòng)性。流動(dòng)液體由于慣性力,粘性力等影響,內(nèi)部任意某處各個(gè)方向的壓力不相等。

流動(dòng)的液體在沿途中會(huì)受沿程阻力和局部阻力,由沿程阻力引起的機(jī)械能損失稱為沿程損失,克服局部阻力的能量損失稱為局部損失。全部的流動(dòng)液體的能量損失等于各段的沿程損失和各局部損失的總和。

二、防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的五個(gè)要點(diǎn)

防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),顧名思義,就是要將濕氣擋之于外,或者是使?jié)駳庠谄鋬?nèi)部停止流動(dòng)。支架的塑料與金屬基板是兩種不同屬性的材料,靠外力使兩者粘接在一起,是屬于物理粘接,即使肉眼上看不出其粘接瑕疵,但在幾十倍的放大鏡上,其界面上必定存有縫隙,如圖2所示。

這就決定了支架不能將濕氣擋在體外,也就是說(shuō)一定會(huì)有濕氣滲入其內(nèi)。因此,支架的防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),嚴(yán)格意義來(lái)講,是依靠其內(nèi)的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少滲入其內(nèi)的流體。要使流體減少,也就是說(shuō),要使流體的所有能量盡可能地?fù)p失在各沿程損失和各局部損失上。

圖2:支架的塑料與金屬基板“物理粘接”后的界面存在縫隙

以TOP VIEW型號(hào)的支架做個(gè)實(shí)驗(yàn),將空支架浸入紅墨水中,紅墨水略淹蓋在支架引腳上即可(注:如果要使實(shí)驗(yàn)效果更加明顯,在紅墨水中倒進(jìn)酒精,比例1:1攪拌混合),5分鐘后終止實(shí)驗(yàn)。全過(guò)程用顯微鏡觀察支架杯體內(nèi)的情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論為:有些支架滲得快,有些支架滲得慢,有些支架滲得輕微,有些支架滲得嚴(yán)重。取某些做完實(shí)驗(yàn)后的支架,馬上沿著塑料與金屬基板的縫隙處用剪鉗剖開,可發(fā)現(xiàn)金屬基板的表面和邊緣有紅墨水痕跡。因此,由實(shí)驗(yàn)可總結(jié)出:紅墨水滲入支架杯體內(nèi)的途徑有二,一為塑料包裹的銅材邊緣處,二為塑料包裹的銅材表面處,且銅材正反面都有,后者比前者更為嚴(yán)重。

解析以上論斷,可從三個(gè)方面解決問(wèn)題:其一,尋求塑料與金屬基板的最佳配合,這關(guān)系到材料學(xué)方面的知識(shí),不在本文討論范圍;其二,管控塑料的注塑工藝,追求最佳的模溫和壓模時(shí)間,這關(guān)系到注塑工藝方面的內(nèi)容,在本文也不做分析;其三,就是在金屬基板作處理,也就是本文所說(shuō)的防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于:

1.盡可能延長(zhǎng)金屬基板邊緣途徑,且迂回折返,越曲折越好。

2.盡可能減小金屬基板與塑料的接觸面積,當(dāng)然這與熱設(shè)計(jì)有沖突,兩者需折中,或有所犧牲,尋求最佳設(shè)計(jì)。在這里,涉及到熱設(shè)計(jì)方面不作詳細(xì)分析。

3.在金屬基板表面盡可能作一些溝槽等擋水墻,增加金屬基板表面的粗糙程度,增加液體的流動(dòng)難度,當(dāng)然,擋水墻形狀越夸張?jiān)胶?,但考慮到制作難度和制作成本,適宜即可。

4.減小金屬基板進(jìn)入塑料的端口面積,相當(dāng)于減小了液體進(jìn)入支架內(nèi)的途徑。

5.盡可能把液體引到非支架杯體內(nèi)。

三、七種支架防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的具體分析

伴隨著模具行業(yè)的不斷進(jìn)步,沖壓、鉆銑、折彎、注塑工藝越來(lái)越能實(shí)現(xiàn)精密、復(fù)雜的設(shè)計(jì)構(gòu)思,支架防濕氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容不斷更新,不斷突破。設(shè)計(jì)人員追求的是產(chǎn)品的性價(jià)比,在把防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得很好的同時(shí),也需要顧及到其它方面的性能,比如熱、電、光性能,更需要關(guān)注到加工難度、加工成本。

圍繞著防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)來(lái)考量,防濕氣設(shè)計(jì)列出以下多種方案,并作綜合分析其優(yōu)劣性。

方案1:金屬基板平板型。金屬基板不作任何處理,簡(jiǎn)單地區(qū)分出正負(fù)兩個(gè)不同極性,如圖3。不加防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,加工成本低,但氣密性差。此種支架做出來(lái)的燈珠,只保證能點(diǎn)亮,但在有濕氣的地方使用,很快就會(huì)出現(xiàn)死燈?;蛘咴跓糁橥獠客可戏浪z水方可使用,這也間接增加了客戶端的使用成本。

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圖3

方案2:延長(zhǎng)金屬基板邊緣途徑。現(xiàn)有的支架設(shè)計(jì)上,已經(jīng)都加上了“延長(zhǎng)金屬基板邊緣途徑”的設(shè)計(jì)理念。如圖4紫色圈。通過(guò)對(duì)金屬基板邊緣沖成不同程度的曲線,沖出越復(fù)雜的曲線,金屬基板邊緣線就越長(zhǎng),這大大加大了濕氣由金屬基板邊緣滲入的難度。當(dāng)然,金屬基板邊緣線處理得越多,加工成本就越高,同時(shí)也要求金屬基板的性能要很好。

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圖4

方案3:塑料包裹側(cè)引腳,現(xiàn)有的支架一般制作流程是:金屬基板沖壓成型→電鍍→注塑→折彎切斷。這樣的弊端是,濕氣在引腳側(cè)邊就可滲入。為了讓濕氣的滲入途徑更長(zhǎng),塑料可將側(cè)引腳包裹住,只露出底引腳,作為導(dǎo)電的焊腳。如圖5紫色圈所示。

支架的制作流程更改為:金屬基板沖壓成型→電鍍→第一次折彎→注塑→第二次折彎并切斷。這樣,塑料很好地將金屬基板包裹在里面。但從制作流程可看出,這樣的方案更復(fù)雜。如果在金屬基板第一處折彎處沖幾個(gè)孔,效果會(huì)更加明顯。當(dāng)然,這也增加了加工成本。本設(shè)計(jì)方案在客戶端的上錫過(guò)程中會(huì)造成難題,兩邊引腳的錫量如不均勻,很容易導(dǎo)致燈珠傾斜。

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圖5

方案4:減小金屬基板與塑料的接觸面積。現(xiàn)有的支架設(shè)計(jì)上,也都加上了“減小金屬基板與塑料的接觸面積”的設(shè)計(jì)理念。如圖6紫色圈所示。通過(guò)在金屬基板表面再?zèng)_出幾個(gè)不同程度大小的孔,有方形、圓形等,孔越多,效果越明顯??讛?shù)量的多少這須由金屬基板的性能決定。

別處,孔位置的選擇也較為關(guān)鍵,孔一般限定在杯體內(nèi)重要位置的附近處,不宜設(shè)計(jì)在離杯體較遠(yuǎn)的位置。此方案的好處有二:一是上下的塑膠能夠更緊密的接牢,把金屬基板卡得更緊;二是減少了塑料與金屬基板相結(jié)合的界面,更好地避免了塑料與金屬基板存在的縫隙。這兩個(gè)好處,都很好地起到防濕氣滲入的作用。當(dāng)然,這也增加了加工成本。

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圖6

方案5:增加金屬基板表面的粗糙程度?,F(xiàn)有的支架設(shè)計(jì)上,“增加金屬基板表面的粗糙程度”的設(shè)計(jì)理念也較為普遍。如圖7紫色圈所示。在理論上,本方案延長(zhǎng)了濕氣滲入金屬基板表面的途徑,并增加了濕氣的流動(dòng)難度。但是,如果金屬基板表面的溝槽等擋水墻、麻點(diǎn)設(shè)計(jì)得太夸張,或設(shè)計(jì)不妥當(dāng),很容易造成反向效果,即增加了金屬基板與塑料的接觸面積,更易出現(xiàn)兩者界面縫隙。因此,增加金屬基板表面的粗糙程度應(yīng)適可而止,在一定面積內(nèi)應(yīng)有一定比例,具體多少本文不作深入研究。

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圖7

方案6:非杯體內(nèi)的金屬基板不作電鍍,或電鍍得粗糙。按照“增加金屬基板表面的粗糙程度”的設(shè)計(jì)理念,也可以在非杯體內(nèi)的金屬基板不作電鍍,或電鍍得較為粗糙。一般電鍍面比不電鍍層更為光滑,這樣塑料與金屬基板會(huì)結(jié)合得更加牢固。

但是,如在非杯體內(nèi)不作電鍍,金屬基板在受潮高溫的環(huán)境下,很易氧化,這樣包裹在塑料里的金屬基板生銹,造成兩者界面更大的縫隙,時(shí)間一長(zhǎng),氧化區(qū)域會(huì)延伸到杯體內(nèi)已電鍍好的金屬基板,造成的后果可想而知。如果在非杯體內(nèi)電鍍得粗糙,在杯體內(nèi)電鍍得光滑,這樣電鍍工藝較為復(fù)雜,制作成本也相應(yīng)上升。因此,本方案不提倡。

方案7:減小金屬基板進(jìn)入塑料的端口面積。理論上,在濕氣進(jìn)口端著手,減小其面積或端口,降低水汽滲入量,能很好地起到防濕氣滲入的作用。如圖8紫色圈所示。在金屬基板的臨進(jìn)端沖出一個(gè)大孔,這樣,成型后的支架,金屬基板伸進(jìn)塑料的那部分只剩兩頭。塑料包裹金屬基板更為牢固,兩者界面的縫隙在外觀上觀看,并不明顯。但是,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,這樣做的實(shí)際效果并不明顯。經(jīng)分析,濕氣滲入并不是定期定量地存在,而是存在于空氣中,長(zhǎng)期都有,即使?jié)駳獾臐B入端口小了,但在長(zhǎng)期作用下,也會(huì)最后滲入。

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圖8

四、支架防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另類猜想

基于防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn),可以有更加大膽的想象空間。

方案8:假設(shè)不需考慮光線靠支架杯體內(nèi)底部的高亮電鍍層來(lái)反射(注:根據(jù)材料學(xué)及目前的電鍍工藝,塑料的白度反射率為0.92,電鍍層反射率為0.97),支架在注塑時(shí),可以在支架杯體內(nèi)底部也注塑一層薄塑膠,只留出固定的固晶區(qū)和焊線區(qū),其余都用塑料封住。如圖9紫色圈所示。這樣,更加大延長(zhǎng)了水汽的滲入途徑。理論上,防濕氣效果會(huì)更加明顯。

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圖9

方案9:上述多種方案都是在“要使流體的所有能量盡可能地?fù)p失在各沿程損失和各局部損失上”的觀點(diǎn)上設(shè)計(jì)的,如果轉(zhuǎn)變思路,濕氣滲入后,考慮怎樣把大部分的濕氣轉(zhuǎn)移到其它非主要部位。這樣,濕氣雖有滲入,但沒有滲入到支架杯體內(nèi),從而不會(huì)影響到最終成品的性能。

如圖10紫色圈所示,只設(shè)計(jì)一邊焊線區(qū),另外一邊不伸進(jìn)支架杯體內(nèi),而且,伸進(jìn)支架杯體內(nèi)的部分盡可能多設(shè)計(jì)溝槽之類的擋水墻,另一端不作規(guī)劃,盡可能簡(jiǎn)單。從液體的流動(dòng)理論分析,液體往往更易流向沒有阻力的地方,且是大部分。這樣,滲入的水汽大部分會(huì)流向圖示B端,很好地保護(hù)到圖示A端部位不受濕氣滲入。

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圖10

方案10:與方案9同樣道理,把支架外形做得更大,需要在塑料內(nèi)做更多的金屬基板線路設(shè)計(jì)。如圖11所示,AB端為杯體內(nèi)的主要金屬基板,為L(zhǎng)ED燈珠焊線區(qū),CD端為輔助金屬基板。在AB端的金屬基板線路盡可能多設(shè)計(jì)溝槽之類的擋水墻,而在CD端不作規(guī)劃,盡可能簡(jiǎn)單。這樣,濕氣更易滲入CD端,且濕氣容量較大。

但是,要達(dá)到以上的理論效果,滲入AB端與滲入CD端的難易度要相差很大倍數(shù),不然濕氣還是會(huì)或多或少滲入AB端。如此可見,本方案不僅在塑料上增加成本,還應(yīng)在金屬基板處理上也要增加相當(dāng)多的成本,因此不宜提倡。

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圖11

五、各設(shè)計(jì)方案對(duì)比

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(注:上以比較是10種方案的相對(duì)比較,并無(wú)絕對(duì)關(guān)系。加工難度由A→C代表易→難;加工成本由A→C代表低→高;對(duì)電光熱等性能的影響由A→C代表效果好→效果差;防濕氣滲入效果由A→C代表效果好→效果差。綜合評(píng)估:建議使用是指多種方案可共同使用,特殊情況使用是指在某些特定要求下使用。)

LED支架的防濕氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),是在LED使用條件越來(lái)越嚴(yán)苛的情況下提出來(lái)的,且發(fā)展的很快。產(chǎn)品應(yīng)注重性價(jià)比,不可一味地選擇結(jié)構(gòu)最優(yōu)的設(shè)計(jì)而不去考慮成本、客戶使用條件等其它因素。單一的方案不能滿足要求,在這里建議多種方案共同使用,這樣不會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜而增加工序工種,加工成本也不會(huì)成倍上升,但卻可實(shí)現(xiàn)效果倍增。

LED行業(yè)具有帶動(dòng)性,可帶動(dòng)如模具行業(yè)、電鍍行業(yè)、材料行業(yè)等的發(fā)展,而其它制造業(yè)某些技術(shù)的突破,也一定程度可為L(zhǎng)ED行業(yè)創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)提供技術(shù)保證。相信在各種行業(yè)發(fā)展的互相影響下,LED支架的設(shè)計(jì)方案會(huì)層出不窮,會(huì)有更可靠的技術(shù)保證,新思維構(gòu)思也能得到實(shí)現(xiàn)。

編輯:jq

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    采用 LLC 拓?fù)?b class='flag-5'>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源,低成本 LLC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)指南

    本文檔 “Designing an Isolated Gate Driver Power Supply with LLC Topology” 主要介紹了采用 LLC 拓?fù)?b class='flag-5'>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源
    的頭像 發(fā)表于 01-08 14:17 ?1495次閱讀
    采用 LLC 拓?fù)?b class='flag-5'>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b>隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源,低成本 LLC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)指南

    鑒相器和電荷泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

    鑒相器+電荷泵(PFD+CP)是鎖相環(huán)內(nèi)部的重要結(jié)構(gòu),在通信系統(tǒng)、頻率合成以及時(shí)鐘信號(hào)生成中有著廣泛的應(yīng)用。鑒相器用于檢測(cè)兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差,電荷泵把鑒相器輸出的相位差轉(zhuǎn)換成電荷輸送給濾波器,用于給后續(xù)的震蕩器提供控制電壓。本文將對(duì)鑒相器和電荷泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
    的頭像 發(fā)表于 01-02 09:39 ?2672次閱讀
    鑒相器和電荷泵的<b class='flag-5'>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b>及優(yōu)化

    LED芯片:三種核心結(jié)構(gòu)解析

    LED照明技術(shù)中,芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品的光效、散熱性能以及整體可靠性起著至關(guān)重要的作用。金鑒實(shí)驗(yàn)室提供專業(yè)的LED芯片測(cè)試服務(wù),幫助企業(yè)確保其產(chǎn)品在光效和散熱性能方面達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本文將深入分析
    的頭像 發(fā)表于 11-15 11:09 ?2428次閱讀
    <b class='flag-5'>LED</b>芯片:三種核心<b class='flag-5'>結(jié)構(gòu)</b>解析

    HDI的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    在現(xiàn)代電子制造領(lǐng)域,高密度互連(HDI)技術(shù)已成為推動(dòng)電子產(chǎn)品向更小型化、更高性能發(fā)展的關(guān)鍵因素。HDI技術(shù)的核心在于其獨(dú)特的疊構(gòu)設(shè)計(jì),這不僅極大地提升了電路板的空間利用率,還顯著增強(qiáng)了電氣性能和信號(hào)完整性。
    的頭像 發(fā)表于 10-28 14:18 ?1155次閱讀
    HDI的疊層<b class='flag-5'>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b>

    永磁發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是什么?

    永磁發(fā)電機(jī)是一種利用永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)的發(fā)電機(jī),它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、效率高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。永磁發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面: 定子部分 定子是發(fā)電機(jī)的核心部件之一,它主要由定子鐵芯
    的頭像 發(fā)表于 10-25 10:40 ?758次閱讀

    是德科技推出電氣結(jié)構(gòu)測(cè)試儀

    是德科技近期在半導(dǎo)體測(cè)試領(lǐng)域邁出重要一步,正式推出了電氣結(jié)構(gòu)測(cè)試儀(EST),一款專為半導(dǎo)體制造中鍵合線(Wire Bonding)檢測(cè)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新解決方案。此解決方案的推出,旨在應(yīng)對(duì)當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)因芯片密度激增而面臨的嚴(yán)峻測(cè)試挑
    的頭像 發(fā)表于 09-03 15:15 ?550次閱讀

    一種天線支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

    結(jié)合某型接收天線使用要求,設(shè)計(jì)了一型天線支架,并對(duì)其進(jìn)行有限元分析。分析在12級(jí)風(fēng)作用下天線支架的應(yīng)力和變形,確定了具體的設(shè)計(jì)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)安全可靠和輕量化。所提方法適用于天線支架
    的頭像 發(fā)表于 08-13 17:22 ?129次閱讀
    一種天線<b class='flag-5'>支架</b>的<b class='flag-5'>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b>及有限元分析

    EMC(電磁兼容性)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

    介紹了電磁兼容的基本定義,要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則和方法。
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    5針M16接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    德索工程師說(shuō)道5針M16接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的過(guò)程,它融合了電氣、機(jī)械、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí),旨在提供高效、穩(wěn)定且可靠的電氣連接。以下是對(duì)5針M16接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的詳細(xì)解析:   5針
    的頭像 發(fā)表于 08-03 09:38 ?762次閱讀
    5針M16接口<b class='flag-5'>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b>