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[轉載]連接器退化機理是什么?(一)

作者:Dr. Bob Mroczkowski,編譯:深圳市連接器行業協會 李亦平 來源:深圳市連接器行業協會 時間:2019-09-30 11:00:09 瀏覽次數:

連接器退化機理對連接器性能非常重要,對相關產品的性能保證至關重要。退化機理是什么?哪些因數導致連接器失效呢?我們將持續探討這個問題。

連接器退化機理對連接器性能非常重要,對相關產品的性能保證至關重要。退化機理是什么?哪些因數導致連接器失效呢?我們將持續探討這個問題。


連接器用于兩個分離系統之間的連接??煞蛛x性是必要原因有很多,從制造的便利性到性能的提升等。然而,當匹配時,連接器不應增加系統之間任何不必要的電阻值。增加電阻值可能使信號失真或功率損失而引起系統故障。連接器退化機理之所以重要,是因為它們是電阻增加的潛在來源,因此,隨著時間的推移,導致功能失效。


讓我們先簡要回顧一下連接器的電阻。圖1展示出了通用信號連接器的橫截面。圖1中的等式表示連接器內的各種電阻源。Ro是連接器的整體電阻,是導體尾端點和PCB連接器腳位焊接點之間的電阻。兩個永 久連接電阻Rp.c是指壓接連接點和相應腳位之間的電阻。同樣,兩個本體電阻(Rbulk)是指后觸點體電阻和連接器兩柱之間的并聯體電阻;還有一個接口或分離處的接觸電阻Rc。整體連接器電阻是各個不變連接電阻、后觸點和腔體連接體電阻和可分離處接觸電阻之和,因為所有這些電阻都是串聯的。

圖1,連接器電阻的示意圖。

為了便于討論,讓我們假設測量到的總電阻值Ro為15毫歐??紤]到這一假設,我們猜測下永 久連接電阻、體電阻和可分離處接觸電阻對整個連接器電阻的相對影響。

在這個例子中,這些值是典型的軟殼式連接器的電阻值,體電阻將占總電阻的大部分,接近14毫歐。永 久連接電阻為幾百微歐姆,其它為可分離處的接觸電阻。

雖然連接器觸點的體電阻是連接器電阻的最 大貢獻者,但它也是最穩定的。單個觸點的體電阻是由觸點的制造材料及其整體幾何形狀決定的。在這個簡單的例子中,考慮導體長度的電阻,可以由以下公司計算:Rcond. = r  l/a.

在該方程中,r是導體的電阻率(也可以是連接器中彈簧材料),“l”是導體的長度,而“a”是導體的橫截面積(或連接器中彈簧的幾何形狀)。對于給定的材料,例如磷青銅和接觸幾何形狀,這些參數是常數,因此連接器的整體電阻是恒定的。


永 久連接電阻和接口或可分離連接電阻是可變的。這些電阻易受多種退化機理的影響,這將在后面的文章中討論。需要指出的是,連接器受到的影響很多,比如惡劣環境、熱、壽命、振動等。并且總的連接器電阻可能從原來的15毫歐變化到例如100毫歐,電阻的變化主要出現在可分離和永 久連接電阻中??煞蛛x的界面電阻是最容易退化的,因為在可分離處產生力和變形等。

簡單地說,兩個主要的可分離的界面要求產生一定的力和變形。連接器的咬合力是第 一種也是最明顯的要求。對于高PIN數連接器,必須控制單個PIN位的咬合力,而接觸法向力是受此要求制約的主要參數之一。例如,可分離的連接接觸力是幾十到幾百克,而絕緣壓接連接,或稱IDC,力的數量級是幾千克,相應的壓入連接中的力也是這樣。這種永 久連接中高的力提供了更大的機械穩定性和更低的電阻值,比可分離連接的電阻值要低得多。

同樣的情形,相對于可分離連接,較高的永 久連接力允許接觸表面更大的變形。壓接連接是最明顯的例子,比如壓接端子的顯著變形,以及單個導體的明顯變形等。壓接連接的力和相應的PIN腳都允許更大的變形接觸表面。與較高的力一樣,與可分離的接觸電阻相比,永 久連接的較大表面變形降低了它們的電阻。

可分離連接面的變形也受到另一種可分離界面要求的限制:配合耐久性。高的表面變形通常導致高的表面磨損,這反過來可能導致接觸涂層的損失,例如在接觸表面上的金或錫。這種涂層的損失將增加接觸表面的腐蝕敏感性,這將在以后的文章中討論。

與永 久連接相比,可分離的接口咬合力和咬合耐久性的結合限制了可分離界面的變形和機械穩定性,也是可分離界面的較低電穩定性的原因。

一般來說,兩個表面之間的接觸面積越大,界面的電阻就越低。實際上,對于導體長度的電阻,兩個表面之間的接觸面積類似于方程Rcond. = r l/a。由于可分離連接的接觸面積比永 久連接低,所以它們具有較高的電阻。

總之,與永 久連接相比,可分離連接的力降低導致機械穩定性降低,接觸面積減小導致更高的電阻。

這些問題,即接觸力的減小和接觸面積的減小,直接影響了可分離接觸界面的退化敏感性。圖2顯示了可分離接觸界面的放大示意圖。圖中顯示說明,在這種接觸界面的微觀尺度上,所有表面都是粗糙的。這意味著接觸界面本身將由一個稱為a點或凹凸不平的接觸點的分布組成,而不是一個完整的區域接觸。這種凹凸不平的結構是導致接觸界面電阻增大的原因。減少的接觸面積,包括a點在某一幾何區域上的分布,取決于接觸表面的幾何形狀。一種稱為收縮電阻的電阻,是由于電流被擠壓到流過單個a點而產生的。通過各種方法增加接觸面積可以降低收縮電阻,但消除不了。因此,連接器總是會給電氣系統增加一些電阻值。從這個角度出發,連接器設計的首要目標是控制電阻的大小和穩定性。

圖2:從微觀上看接觸界面的固有表面粗糙度。

如前所述,界面電阻的大小取決于當插頭和插座觸點相互接觸時產生的接觸區域。影響接觸電阻穩定性的主要因素有兩種:接觸界面的擾動和a點的腐蝕。這些因數如何影響連接器退化機理將在以后討論??傊?,這些機理包括:

1 ,在接觸界面及其周圍發生腐蝕,從而減少接觸面積。有兩種腐蝕機理: 表面腐蝕,直接影響接觸面積;誘導或微動,這可以提高接觸界面對腐蝕的敏感性。

2,由于電鍍不足或電鍍磨損而喪失接觸電鍍的完整性,從而增加了腐蝕的敏感性。大多數連接器觸點都是鍍有貴金屬的表面層,如黃金;或普通電鍍表面,一般是錫。這些鍍層的主要目的之一是保護接觸基體(通常是銅合金)免受腐蝕。貴金屬和非貴金屬的腐蝕敏感性是不同的,后面將分別討論.

3,接觸力損失,導致機械穩定性降低,接觸界面易受微動影響。導致連接器接觸力降低的主要機理是接觸應力過大和應力松弛。由于時間/溫度的影響,應力松弛是指接觸力隨時間變化而損失.

更詳細的退化機理研究請關注協會公眾號后面的內容。

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