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[轉(zhuǎn)載]連接器退化機(jī)理是什么?(一)

作者:Dr. Bob Mroczkowski,編譯:深圳市連接器行業(yè)協(xié)會 李亦平 來源:深圳市連接器行業(yè)協(xié)會 時間:2019-09-30 11:00:09 瀏覽次數(shù):

連接器退化機(jī)理對連接器性能非常重要,對相關(guān)產(chǎn)品的性能保證至關(guān)重要。退化機(jī)理是什么?哪些因數(shù)導(dǎo)致連接器失效呢?我們將持續(xù)探討這個問題。

連接器退化機(jī)理對連接器性能非常重要,對相關(guān)產(chǎn)品的性能保證至關(guān)重要。退化機(jī)理是什么?哪些因數(shù)導(dǎo)致連接器失效呢?我們將持續(xù)探討這個問題。


連接器用于兩個分離系統(tǒng)之間的連接。可分離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(dāng)匹配時,連接器不應(yīng)增加系統(tǒng)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(tǒng)故障。連接器退化機(jī)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(dǎo)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(nèi)的各種電阻源。Ro是連接器的整體電阻,是導(dǎo)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(yīng)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(lián)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(lián)的。

圖1,連接器電阻的示意圖。

為了便于討論,讓我們假設(shè)測量到的總電阻值Ro為15毫歐??紤]到這一假設(shè),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(xiàn)者,但它也是最穩(wěn)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(dǎo)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(dǎo)體的電阻率(也可以是連接器中彈簧材料),“l(fā)”是導(dǎo)體的長度,而“a”是導(dǎo)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(shù)是常數(shù),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(jī)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(huán)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(xiàn)在可分離和永 久連接電阻中。可分離的界面電阻是最容易退化的,因為在可分離處產(chǎn)生力和變形等。

簡單地說,兩個主要的可分離的界面要求產(chǎn)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(shù)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(shù)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(shù)量級是幾千克,相應(yīng)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(jī)械穩(wěn)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(dǎo)體的明顯變形等。壓接連接的力和相應(yīng)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(dǎo)致高的表面磨損,這反過來可能導(dǎo)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(jié)合限制了可分離界面的變形和機(jī)械穩(wěn)定性,也是可分離界面的較低電穩(wěn)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(dǎo)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(dǎo)致機(jī)械穩(wěn)定性降低,接觸面積減小導(dǎo)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(qū)域接觸。這種凹凸不平的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)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(qū)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(chǎn)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(tǒng)增加一些電阻值。從這個角度出發(fā),連接器設(shè)計的首要目標(biāo)是控制電阻的大小和穩(wěn)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(dāng)插頭和插座觸點相互接觸時產(chǎn)生的接觸區(qū)域。影響接觸電阻穩(wěn)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(shù)如何影響連接器退化機(jī)理將在以后討論??傊@些機(jī)理包括:

1 ,在接觸界面及其周圍發(fā)生腐蝕,從而減少接觸面積。有兩種腐蝕機(jī)理: 表面腐蝕,直接影響接觸面積;誘導(dǎo)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(shù)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(hù)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(dǎo)致機(jī)械穩(wěn)定性降低,接觸界面易受微動影響。導(dǎo)致連接器接觸力降低的主要機(jī)理是接觸應(yīng)力過大和應(yīng)力松弛。由于時間/溫度的影響,應(yīng)力松弛是指接觸力隨時間變化而損失.

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