電接觸理論的回顧與展望

電接觸理論的回顧與展望

本文是為了幫助客戶需要編寫的。目的是幫助客戶了解和熟悉有關(guān)設(shè)備的一般知識，并在購買和選擇設(shè)備時(shí)參考他們，以便在客戶和設(shè)備制造商之間形成共同的語言，避免不必要的爭吵和誤解。編者試圖用最簡潔明了的語言盡可能全面地闡述有關(guān)連接器的基本原理、結(jié)構(gòu)、有關(guān)理論、術(shù)語、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)方面的內(nèi)容。由于編者水平所限,問題闡述的深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,其中錯(cuò)誤在所難免,有些還有可能引起爭議。因此,本文既不是設(shè)計(jì)參考資料,也不是學(xué)術(shù)論文。鑒于連接器行業(yè)的特殊性,編者希望本文對那些剛剛踏入本行業(yè)的技術(shù)人員能夠起到入門引路的作用,以減少盲目性,縮短摸索和適應(yīng)的時(shí)間,通過不斷的實(shí)踐和學(xué)習(xí),盡快成長起來,為我國連接器行業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。1電接觸的由來及內(nèi)涵電接觸理論是與電連接器、開關(guān)、繼電器等產(chǎn)品有關(guān)的一門基礎(chǔ)研究理論,它以材料科學(xué)為基礎(chǔ),以現(xiàn)代電子技術(shù)為手段,研究金屬與金屬之間、金屬與氣體、液體之間通電后,其接觸界面的微觀機(jī)理及宏觀狀態(tài)。接觸有靜止接觸和滑動摩擦兩種情況,后者與機(jī)械學(xué)中的摩擦和磨損有關(guān)。由于通電后情況顯得更加復(fù)雜,再加上大氣環(huán)境中有害物質(zhì)的影響,使電接觸的研究涉及到很多方面,比如:接觸表面微觀形貌對電接觸的影響;環(huán)境因素對接觸表面膜層的生成作用機(jī)理;接觸表面的金屬鍍覆層的作用;滑動接觸表面的潤滑及潤滑材料研究;接觸表面的微振腐蝕等等。電接觸理論創(chuàng)始至今只有50多年的歷史,其創(chuàng)始人是德國人霍姆博士(R.Holm),他畢生從事電接觸研究,于1958年發(fā)表《電接觸手冊》,首次系統(tǒng)地闡述了電接觸理論,十年后又發(fā)表了《電接觸理論與應(yīng)用》,把當(dāng)時(shí)的電子技術(shù)引入到電接觸研究之中。國際上有影響的組織包括美國霍姆電接觸學(xué)會,它是美國IEEE下屬的一個(gè)機(jī)構(gòu),每年舉行一次學(xué)術(shù)會議。其學(xué)術(shù)論文均在IEEE的系列出版物中刊登。此外1961年成立了國際電接觸學(xué)會,該學(xué)會兩年舉行一次學(xué)術(shù)交流會。在我國,電接觸研究最早在北京郵電大學(xué)機(jī)械電子工程系電接觸科研室進(jìn)行,多年來,在章繼高教授的帶領(lǐng)下,取得了不少研究成果,在國際上也有一定的影響。電接觸理論主要涉及以下幾個(gè)方面:接觸電阻和接觸表面膜層;摩擦與磨損;潤滑作用機(jī)理;彈性零件設(shè)計(jì);接觸表面鍍層研究;微振對接觸可靠性的影響。現(xiàn)對上述幾個(gè)方面作簡要介紹。1.1收縮電阻的接觸模型電接觸學(xué)對接觸電阻的形成和影響因素進(jìn)行了廣泛深入的研究。當(dāng)兩個(gè)潔凈的金屬表面接觸時(shí),從微觀上看,是多個(gè)微小的“凸起”接觸,這些點(diǎn)在文獻(xiàn)中常常形象地稱為“A”點(diǎn),當(dāng)電流通過此點(diǎn)時(shí),電流線發(fā)生彎曲和收縮,使電流通過的路徑增長,而截面縮小,形成一個(gè)附加電阻,叫收縮電阻或集束電阻?？偸湛s電阻等于多個(gè)這種小收縮電阻的并聯(lián)值。如果在接觸時(shí)施加外力,則還要考慮微觀粗糙接觸點(diǎn)即上述A點(diǎn)會產(chǎn)生彈性變形甚至塑性變形。電接觸理論中對不同的電接觸模型都有相應(yīng)的收縮電阻計(jì)算公式。實(shí)際接觸表面會受到大氣中有害物質(zhì)的侵蝕,如氣體吸附在表面形成氧化物,SO2、H2S及Cl2等造成電化學(xué)腐蝕,灰塵中的有害物質(zhì)生成鹽類等將會在接觸表面生成膜層,形成膜層電阻。因而接觸電阻應(yīng)等于收縮電阻與膜層電阻之和。由于膜層電阻在通電后會產(chǎn)生局部擊穿→局部發(fā)熱→膜層修復(fù)→再擊穿的復(fù)雜現(xiàn)象,使膜層電阻呈現(xiàn)非線性,因而影響接觸電阻的穩(wěn)定。為減小或避免膜層電阻的影響,電接觸表面常進(jìn)行鍍覆。根據(jù)鍍層的不同,其膜層生成情況也不同。金及其合金鍍層不易生成膜層。鈀的膜層很薄,極易擊穿。而銀及其合金鍍層,會產(chǎn)生厚膜層。其它鍍層如銅、鎳等,其膜層擊穿電壓可達(dá)100V。需要指出的是,在連接器產(chǎn)品規(guī)范中規(guī)定的接觸電阻還應(yīng)包括接觸件自身的體電阻和連接導(dǎo)線產(chǎn)生的電阻,這是由測試方法所決定的。1.2連接器的工作特性連接器的插入和拔出實(shí)際上是一種接觸件之間的滑動摩擦,而磨損則是接觸表面之間由滑動摩擦導(dǎo)致表面材料損失的現(xiàn)象。連接器的壽命與摩擦和磨損密切相關(guān)。研究摩擦和磨損的目的是如何減小摩擦和磨損,保持良好的電接觸,提高連接器的機(jī)械壽命。連接器的插入力往往大于拔出力,這是因?yàn)椴迦霑r(shí),插針要用力張開插孔,如針、孔之間同心度不好時(shí)則更需要額外的力,這兩種力與滑動摩擦力疊加在一起形成插入力。拔出力包括粘結(jié)(接觸力作用下的局部塑性變形)和擦傷形成的摩擦力。粘結(jié)磨損是滑動摩擦的主要磨損現(xiàn)象,其它還有擦傷磨損、微動磨損等。電接觸研究表明:(1)接觸表面鍍金層若提高硬度,可減小磨損;若降低延展性,則可減少粘結(jié);(2)用鎳作底鍍層再鍍金,比直接在銅上鍍金時(shí)的磨損小,鎳層越厚,鍍金層越耐磨;(3)表面粗糙度越低,磨損越小。1.3和網(wǎng)口的潤滑潤滑作用是潤滑劑在金屬界面之間形成一層薄膜,使滑動在膜層與少量金屬之間進(jìn)行,減少金屬間粘結(jié)的機(jī)會,從而減小摩擦力和磨損。對連接器而言,涂抹在接觸件上的潤滑劑應(yīng)該不影響電接觸,應(yīng)該具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性。目前國內(nèi)外導(dǎo)電潤滑劑種類很多,使用時(shí)應(yīng)先經(jīng)過試驗(yàn),以免造成接觸不良。近年來有的研究人員采用導(dǎo)電潤滑劑對那些經(jīng)多次插拔造成接觸件嚴(yán)重磨損的連接器進(jìn)行修復(fù),使連接器重新恢復(fù)連接功能,取得了顯著效果。1.4懸臂梁的設(shè)計(jì)從電接觸的觀點(diǎn)看,要保證良好的電接觸,必須有低而穩(wěn)定的接觸電阻,其中彈性零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在連接器接觸件的結(jié)構(gòu)中,懸臂梁結(jié)構(gòu),包括簡單的懸臂梁、變截面懸臂梁等用得很多。設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的原則是:①彈性零件的最大變形不應(yīng)達(dá)到其屈服極限。常用的磷青銅和鈹青銅材料在其應(yīng)力-應(yīng)變圖中,屈服極限不明顯,通常以應(yīng)變?yōu)?.2%處的應(yīng)力作為屈服極限。②接觸時(shí)的最大壓力不應(yīng)造成過大的插拔力。在電接觸研究中,比較具有實(shí)用價(jià)值的是接觸電阻與正壓力(即垂直于接觸界面的力)的關(guān)系。在這方面進(jìn)行了大量的研究。正壓力增大,其接觸電阻減小,且耐振動和沖擊能力強(qiáng),但插拔力會增大,因而選擇合適的正壓力十分重要。當(dāng)然,接觸電阻與接觸面鍍層結(jié)構(gòu)和電鍍質(zhì)量也有關(guān)系。1.5關(guān)于接觸表面涂層的研究在電接觸研究中,對各種鍍層,包括金及其合金、銀及其合金、錫鉛合金、鈀鎳合金以及近年出現(xiàn)的鈀鈷合金的性能都進(jìn)行了大量的研究。(1)微生物率的檢測在金的沉積過程中常會形成鍍層通往基底金屬的微小通道,這就是微孔。微孔會在金與基底金屬材料之間形成微電池(金為陽極,基底銅為陰極,空氣中的水和雜質(zhì)在微孔內(nèi)形成電解液)。微電池產(chǎn)生腐蝕,使接觸失效。微孔率是檢查鍍層質(zhì)量的重要指標(biāo),它定義為每平方厘米表面的微孔數(shù),在連接器基本試驗(yàn)方法如GJB1217中有相應(yīng)的檢測方法規(guī)定。要防止或減輕微孔腐蝕,首先要防止灰塵、氧化物等沉積在待鍍表面,清除鍍液中的雜質(zhì),減小形成微孔的機(jī)會。這就要求凈化環(huán)境,在鍍前清潔表面,并定期過濾鍍液。其次,由于基底表面粗糙度會影響微孔率,因而提高基底表面光潔度是減小微孔率的有效方法。研究表明,基底材料的銅原子在較高環(huán)境溫度時(shí)會擴(kuò)散到金鍍層表面,產(chǎn)生氧化,使接觸失效;用鎳作底鍍層,致密的鎳鍍層起阻擋和隔離作用,可防止銅擴(kuò)散到鍍層表面。(2)硫化銀膜層銀及其合金鍍層對含硫氣體很敏感,容易形成較厚的硫化銀膜層。曾經(jīng)流行的在銀底鍍層上鍍金,雖然其導(dǎo)電性能優(yōu)良,但硫化銀會從金層的微孔中蔓延到表面。近年來銀鍍層已基本淘汰。(3)錫鉛鍍層的用量錫鍍層最大的優(yōu)越性是價(jià)格低廉,且質(zhì)地很軟。雖然在空氣中容易生成氧化錫,但氧化物很脆,在壓力下很容易破裂,可重新形成接觸,因而在較大的接觸壓力和電接觸要求不高時(shí),采用錫鍍層是適宜的。實(shí)際應(yīng)用中為防止產(chǎn)生錫須而造成相鄰的接觸件短路,常采用錫鉛鍍層(鉛含量低于4%)。由于錫鉛合金鍍層與鍍金層接觸時(shí)會在潮氣作用下產(chǎn)生腐蝕,故應(yīng)避免采用錫鉛合金鍍層與鍍金層接觸。(4)接觸電阻較高鈀鎳合金鍍層硬度較高,耐磨損,插拔壽命較長,且減小用金量。但其接觸電阻較高。實(shí)用中常采用在鈀鎳合金鍍層上鍍薄金(0.025μm～0.125μm)的辦法。(5)鎳合金的性能近年來AMP公司與其它材料公司聯(lián)合開發(fā)的鍍層材料,其優(yōu)點(diǎn)是硬度高于鈀鎳合金鍍層,其插拔壽命比鈀鎳合金高2～4倍,而其接觸電阻和耐腐蝕能力與鈀鎳合金相近。另一優(yōu)點(diǎn)是成本上的節(jié)省。由于鎳底鍍層的存在,鈀鎳合金鍍層厚度的測量精度受到影響,為保證鍍層性能,常常使鈀鎳合金鍍層的實(shí)際厚度增加,提高了成本,而鈀鈷合金則不存在這種問題,因此,鈀鈷合金被認(rèn)為是下一代接觸件鍍層材料。1.6電接觸技術(shù)的研究微振是電接觸界面的小幅振動,其產(chǎn)生原因是背景振動和溫度的變化。這種容易忽視的微小振動累積到一定程度時(shí),就有可能影響電接觸的可靠性。微振引起的電氣失效是指由微振磨損、微振腐蝕和有機(jī)膜層的摩擦聚合等導(dǎo)致接觸電阻的急劇增加。大量的研究表明,接觸件的鍍層結(jié)構(gòu)、接觸正壓力的大小、電流的大小等都對接觸界面的微振產(chǎn)生很大的影響。而最具實(shí)用價(jià)值的研究之一是使用合適的導(dǎo)電潤滑劑可以明顯改善連接器接觸件的微振性能。電接觸理論雖然應(yīng)用性較強(qiáng),但它畢竟不同于工程設(shè)計(jì),更不能代替具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。目前,困擾電接觸理論研究的一個(gè)問題是:如何把理論研究與工程實(shí)踐結(jié)合起來,把研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。要解決這個(gè)問題并非易事,需要各方面專家和技術(shù)人員的共同努力。雖然如此,一個(gè)無可辯駁的事實(shí)是:在連接器的設(shè)計(jì)制造和性能測試等方面已經(jīng)大量采用了幾十年來電接觸研究的成果,例如,彈性接觸件的設(shè)計(jì);接觸件鍍層的確定;導(dǎo)電潤滑劑的使用等等。2分類和命名電子服務(wù)器2.1設(shè)備互聯(lián)時(shí)代20世紀(jì)80年代電連接器的分類是一個(gè)相對復(fù)雜的問題。由于電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展,電連接器的結(jié)構(gòu)日益多樣化,新結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn),應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。制造商和媒體在產(chǎn)品介紹和宣傳上的隨意性,更給電連接器的類別劃分增加了混亂,從某種意義上說,要嚴(yán)格精確地劃分電連接器的類別幾乎是不可能的。我們通常所稱的電連接器實(shí)際上應(yīng)當(dāng)有電氣連接器和電子連接器之分。例如,國際電工委員會(IEC)就把其所涉及的電連接器歸入電子設(shè)備用機(jī)電元件。而端子板(TerminalBlock)則屬于電氣連接器的范圍。在日本,把電連接器和開關(guān)稱為連接元件。在我國,習(xí)慣上把電連接器、開關(guān)、管座和鍵盤統(tǒng)稱為電接插元件。但在國內(nèi)的許多文章和技術(shù)文件中,把“連接器”和“接插件”等同起來是屢見不鮮的事。說到電連接器類別的劃分,必須首先談及互連(Interconnection)的等級(或?qū)哟?,因?yàn)樗c電連接器的功能密切相關(guān)。在20世紀(jì)80年代以前,根據(jù)電子設(shè)備內(nèi)外連接的功能,國際上把互連分為五級:(1)芯片封裝的內(nèi)部連接;(2)IC封裝引腳與印制電路板的連接;(3)印制電路板與導(dǎo)線或印制電路板的連接;(4)底板與底板的連接;(5)設(shè)備與設(shè)備之間的連接。到90年代,根據(jù)電子技術(shù)的發(fā)展,人們又把互連重新劃分為六級,將原來第四級中的某些產(chǎn)品(例如機(jī)柜式連接器)合并到第五級中,新的五級還包括了從底板(組件)至輸入/輸出端口的連接,典型產(chǎn)品如用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間連接的I/O連接器。增加了第六級互連,稱為系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的連接,典型產(chǎn)品如數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的同軸電纜組件或光纜組件。按照新的劃分方法,第五級互連中包含了現(xiàn)有的多種連接器類別,其市場份額也最大,但增長較慢;增長最快的是第三級互連中的產(chǎn)品——印制電路連接器。電連接器類別劃分有很多種方法,可以根據(jù)外形、用途、工作頻率等劃分出很多類別,并常常見諸于各類報(bào)刊雜志中。正因?yàn)槿绱?才使得大家無所適從。其實(shí),電連接器類別的劃分應(yīng)根據(jù)其基本功能、不同的互連級別和應(yīng)用等進(jìn)行綜合考慮。按照其共性并參照有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),電連接器可劃分為以下幾個(gè)類別:①IC插座;②印制電路連接器;③IDC(絕緣位移)連接器;④圓形連接器;⑤矩形連接器;⑥射頻連接器;⑦光纖連接器。IC插座歸為一類的理由很明顯,它屬于第二級互連的代表性產(chǎn)品?；谕瑯拥睦碛?IDC連接器屬于第四級互連的產(chǎn)品,盡管它可以被視為一種印制電路連接器,只是端接方式不同而已,但因其獨(dú)特的端接方法而獲得了廣泛的應(yīng)用,在互連級別中占有特殊的地位。需要指出的是,某些權(quán)威刊物將“特種連接器”也列為電連接器的一種類別,似乎也不無道理。特種連接器指具有特殊用途的電連接器,如濾波連接器、密封連接器、防水連接器等等,近年來應(yīng)用越來越多,但作為一種類別,它們在結(jié)構(gòu)和性能上卻缺乏足夠鮮明的共性。它們基本上是在某類電連接器上增加相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件,以實(shí)現(xiàn)其預(yù)定的特殊功能,因而把它們列為一種類別似乎不十分恰當(dāng)。而最有可能在不久的將來成為一種新類別的是“表面安裝連接器”,由于其結(jié)構(gòu)和性能要求有別于其它類別的連接器,隨著應(yīng)用的日益增加、技術(shù)的不斷成熟以及相關(guān)規(guī)范的制定,將會成為電連接器的一種重要的新型類別。除此之外,我們通常見到的“計(jì)算機(jī)連接器”、“通信連接器”、“汽車連接器”、“A/V連接器”、“航空連接器”等稱謂,都是指某一應(yīng)用領(lǐng)域的若干類連接器的統(tǒng)稱,從技術(shù)意義上說,都不應(yīng)是電連接器的一種類別。順便要提及的是關(guān)于電連接器類型、品種和規(guī)格的區(qū)別。按照IEC的規(guī)定,電連接器的規(guī)格層次為:不難看出,前述的電連接器類別實(shí)際上是指分門類。令人遺憾的是,人們常常把品種、規(guī)格混淆起來,大家也習(xí)以為常