電連接器接觸特性的試驗研究

趙桂平

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010)

1 引言

電連接器是電子設(shè)備中不可忽缺的基礎(chǔ)元器件，隨著電子產(chǎn)品飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品模塊化發(fā)展的要求，該類機電元件的數(shù)量與日俱增，呈現(xiàn)幾何級數(shù)增長的趨勢。該類產(chǎn)品是利用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電參數(shù)的延續(xù)，在電子元件類產(chǎn)品中屬于可靠性較低的一類產(chǎn)品。

隨著電路靈敏度的提高、電路小型化、高密度等因素以及軍事應(yīng)用的發(fā)展，電子系統(tǒng)變得更復(fù)雜，對精密而且電氣性能穩(wěn)定的連接器系統(tǒng)的需求也更高。

電接觸失效是電連接器失效的主要形式，具體表現(xiàn)為接觸電阻增大和接觸對瞬斷等。所以，對電連接器接觸可靠性的考察成為電連接器試驗的重點項目。接觸電阻、插入力、分離力是表示電連接器是否可靠連接的重要參數(shù)，隨著電連接器機械工作次數(shù)的增加，接觸電阻、插入力、分離力都會發(fā)生變化。試驗中機械工作次數(shù)的確定對于連接器制造商是一個困擾，采集機械工作試驗過程中接觸電阻、插入力、分離力的實際測量數(shù)據(jù)，進行分析后，確定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的機械工作試驗次數(shù)應(yīng)該是比較好的方法。

2 試驗數(shù)據(jù)

某電連接器制造商委托我所實驗室對其經(jīng)銷的某印制板用雙列直插式電連接器進行鑒定試驗。電連接器的樣品如圖1所示，電連接器接觸件如圖2所示。

圖1 電連接器樣品圖

圖2 電連接器的接觸件

在進行連接器機械工作試驗時，選擇16對接觸件作為試驗樣本，測量其接觸電阻、插入力、分離力的初始值。每做50次插拔試驗后，測接觸電阻、插入力、分離力，共做400次插拔試驗，得到的接觸電阻、插入力、分離力的測量值分別如表1、表2和表3所示。

表1 16對接觸件每經(jīng)過50次機械插拔試驗后的電阻值(單位:mΩ)

表2 16對接觸件每經(jīng)過50次機械插拔試驗后的插入力(單位:g)

表3 16對接觸件每經(jīng)過50次機械插拔試驗后的分離力(單位:g)

3 分析

在顯微鏡下觀察連接器接觸件的表面，盡管鍍層十分光滑，但仍能觀察到5～10μm的凸起部分。會看到插合的一對接觸件的接觸，并不是整個接觸面的接觸，而是散布在接觸面上的一些點的接觸。實際接觸面必然小于理論接觸面。根據(jù)表面光滑程度及接觸壓力的大小，兩者差距有的可達幾千倍。實際接觸面可分為兩部分:一是真正金屬與金屬直接接觸部分。即金屬間無過渡電阻的接觸微點，亦稱接觸斑點，它是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜后形成的。這部分約占實際接觸面積的5～10%。二是通過接觸界面污染薄膜后相互接觸的部分。因為，任何金屬都有返回原氧化物狀態(tài)的傾向。實際上，大氣中不存在真正潔凈的金屬表面，即使很潔凈的金屬表面，一旦暴露在大氣中，便會很快生成幾微米的初期氧化膜層。即使特別穩(wěn)定的貴金屬金，由于它的表面能較高，其表面也會形成一層有機氣體吸附膜。此外，大氣中的塵埃等也會在接觸件表面形成沉積膜。因而，從微觀分析任何接觸面都是一個污染面。真正接觸電阻應(yīng)由以下幾部分組成:

1)集中電阻

電流通過實際接觸面時，由于電流線收縮顯示出來的電阻。

2)膜層電阻

由于接觸表面膜層及其它污染物所構(gòu)成的膜層電阻。從接觸表面狀態(tài)分析，表面污染膜可分為較堅實的薄膜層和較松散的雜質(zhì)污染層。

3)導(dǎo)體電阻

實際測量接觸電阻時，都是在接觸點引出端進行的，故實際測得的接觸電阻還包含接觸表面以外接觸件和引出導(dǎo)體本身的導(dǎo)體電阻。

接觸電阻主要受接觸件材料、正壓力、表面狀態(tài)、使用電壓和電流等因素影響。隨著正壓力的增加，接觸微點數(shù)量及面積也會逐漸增加。同時，接觸微點從彈性變形過渡到塑性變形，由于集中電阻逐漸減小，而使接觸電阻降低。

經(jīng)過一定次數(shù)的機械工作以后，接觸件的表面氧化物層或表面膜層的變化趨于穩(wěn)定，接觸電阻的測量值也應(yīng)該趨于穩(wěn)定。但是，由于每次測量的夾持點不一樣，接觸電阻的測量值出現(xiàn)跳躍，沒有呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。從表1的數(shù)據(jù)可以觀察到，接觸電阻的測量值沒有出現(xiàn)數(shù)量級的變化，數(shù)值穩(wěn)定在幾個毫歐。

為了保證電連接器的接觸件的可靠連接，接觸件材料一般選用導(dǎo)電性能好、摩擦損耗小、不易產(chǎn)生應(yīng)力松弛的鈹青銅材料;結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理，保證接觸件間一定的正壓力。由于正壓力不易測量，在實驗室環(huán)境中，一般測量插入力和分離力;接觸表面要覆蓋導(dǎo)電性好、耐磨損的鍍層。

接觸件的正壓力是指由彼此接觸的表面產(chǎn)生并垂直于接觸表面的壓力。它是接觸壓力的一種直接指標(biāo)，明顯地影響著電接觸性能。由于機械或環(huán)境應(yīng)力而使正壓力減小，會引起接觸電阻的增加，若超出規(guī)定值，就會引起電路失效，導(dǎo)致間歇中斷或邏輯電路的誤觸發(fā)。正壓力受以下因素影響，反之也會影響諸如接觸電阻、磨損和壽命、氣密性、微振腐蝕、機械力、溫度和鍍覆等因素。

正壓力的大小可由理論計算求得。取一個基本懸臂梁，其正壓力計算公式(1)如下:

式中，

FN－正壓力;

D－撓曲量;

E－材料的彈性模量;

W－懸臂梁寬度;

t－懸臂梁厚度;

l－懸臂梁長度。

雖然理論計算可以完成，但在許多例子中，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)并不吻合。

分離力的理論值可簡單地用下面的公式(2)計算:

式中，

F－分離力;

FN－正壓力;

μ－摩擦系數(shù)。

摩擦系數(shù)與表面光潔度、鍍涂層、表面污染情況、接觸面積等多個變量有關(guān)。分離力的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)也是不吻合的。

當(dāng)接觸件沿接觸表面作相對運動時發(fā)生摩擦，引起接觸件表面層的物理、化學(xué)、機械性能的變化，并因此出現(xiàn)幾何形狀、尺寸及接觸件質(zhì)量的變化過程，這就是接觸件的磨損。磨損是多種因素相互影響的復(fù)雜過程。例如摩擦副的磨損程度同零件所用材料的性質(zhì)、表面加工方法和質(zhì)量以及使用條件(載荷、溫度、速度和潤滑狀態(tài))等有關(guān)。機械零件的正常磨損的時間過程大致可分為三個階段:1."磨合"階段，2."穩(wěn)定"磨損階段，3."急劇"磨損階段。

此印制板用雙列直插式電連接器，開始的200次機械插拔試驗過程中，其接觸電阻、插入力、分離力的測量值變化比較大;200次機械插拔以后，其接觸電阻、插入力、分離力的測量值都比較穩(wěn)定，幾乎沒有單調(diào)上升或單調(diào)下降的變化，也沒有忽升、忽降的變化。接觸件表面一是由于塵埃、松香、油污等在接點表面機械附著沉積形成的較松散的表膜，這層表膜由于帶有微粒物質(zhì)極易嵌藏在接觸表面的微觀凹坑處，使接觸面積縮小，接觸電阻增大，且極不穩(wěn)定。二是由于物理吸附及化學(xué)吸附所形成的污染膜，對金屬表面主要是化學(xué)吸附，它是在物理吸附后伴隨電子遷移而產(chǎn)生的。表面的這兩種膜在機械零件的正常磨損的第一個階段即"磨合"階段，情況改變比較大，從而造成其接觸電阻、插入力、分離力的測量值變化比較大。進入磨損的第二個階段，"穩(wěn)定"磨損階段后，接觸件的表面情況不會有大的改變，比較穩(wěn)定，從而造成其接觸電阻、插入力、分離力的測量值變化不大，這個階段很長。直到表面鍍覆層磨損嚴重，甚至露出基體金屬，或者接觸件的彈性改變，出現(xiàn)應(yīng)力松弛的現(xiàn)象，才會進入"急劇"磨損階段。

4 結(jié)論

此印制板使用的是雙列直插式電連接器。在開始的200次機械插拔試驗過程中，其接觸電阻、插入力、分離力的測量值變化比較大，而200次機械插拔試驗以后，其接觸電阻、插入力、分離力的測量值都比較穩(wěn)定，沒有單調(diào)上升或單調(diào)下降的變化，也沒有忽升、忽降的變化。對于同類連接器制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)時，機械工作試驗的次數(shù)可以定為200次，200次以后，測接觸電阻、插入力、分離力，可以反映此類產(chǎn)品穩(wěn)定工作時的接觸狀態(tài)或接觸可靠性。

由于接觸件的表面附著沉積形成的較松散的表膜和由于物理吸附及化學(xué)吸附所形成的污染膜，經(jīng)過機械磨損所造成的接觸面的實際情況很復(fù)雜。經(jīng)過一定次數(shù)的機械插拔試驗后，接觸件的接觸電阻、插入力、分離力等參數(shù)發(fā)生的變化不是通過理論計算可以得到的，試驗數(shù)據(jù)就成為研究連接器的表面接觸狀態(tài)的主要資料。通過對大量試驗數(shù)據(jù)的積累、分析，得出的結(jié)論可以成為制定該類產(chǎn)品試驗標(biāo)準(zhǔn)的重要參考。

［1］張明畏編譯正壓力－電連接器的基本特性《機電元件》1997.1.

［2］蘇竣王其平摩擦磨損對電連接器接點插拔力特性的影響《低壓電器》1995.6.

［3］錢萍航天電連接器綜合應(yīng)力加速壽命試驗與統(tǒng)計分析的研究 浙江大學(xué)機械工程學(xué)系博士學(xué)位論文2010.