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行业动态
[转载]连接器退化机理是什么?(一)

作者:Dr. Bob Mroczkowski,编译:深圳市连接器行业协会 李亦平 来源:深圳市连接器行业协会 时间:2019-09-30 11:00:09 次数:

连接器退化机理对连接器性能非常重要,对相关产品的性能保证至关重要。退化机理是什么?哪些因数导致连接器失效呢?我们将持续探讨这个问题。

连接器退化机理对连接器性能非常重要,对相关产品的性能保证至关重要。退化机理是什么?哪些因数导致连接器失效呢?我们将持续探讨这个问题。


连接器用于两个分离系统之间的连接。可分离性是必要原因有很多,从制造的便利性到性能的提升等。然而,当匹配时,连接器不应增加系统之间任何不必要的电阻值。增加电阻值可能使信号失真或功率损失而引起系统故障。连接器退化机理之所以重要,是因为它们是电阻增加的潜在来源,因此,随着时间的推移,导致功能失效。


让我们先简要回顾一下连接器的电阻。图1展示出了通用信号连接器的横截面。图1中的等式表示连接器内的各种电阻源。Ro是连接器的整体电阻,是导体尾端点和PCB连接器脚位焊接点之间的电阻。两个永 久连接电阻Rp.c是指压接连接点和相应脚位之间的电阻。同样,两个本体电阻(Rbulk)是指后触点体电阻和连接器两柱之间的并联体电阻;还有一个接口或分离处的接触电阻Rc。整体连接器电阻是各个不变连接电阻、后触点和腔体连接体电阻和可分离处接触电阻之和,因为所有这些电阻都是串联的。

图1,连接器电阻的示意图。

为了便于讨论,让我们假设测量到的总电阻值Ro为15毫欧。考虑到这一假设,我们猜测下永 久连接电阻、体电阻和可分离处接触电阻对整个连接器电阻的相对影响。

在这个例子中,这些值是典型的软壳式连接器的电阻值,体电阻将占总电阻的大部分,接近14毫欧。永 久连接电阻为几百微欧姆,其它为可分离处的接触电阻。

虽然连接器触点的体电阻是连接器电阻的最 大贡献者,但它也是最稳定的。单个触点的体电阻是由触点的制造材料及其整体几何形状决定的。在这个简单的例子中,考虑导体长度的电阻,可以由以下公司计算:Rcond. = r  l/a.

在该方程中,r是导体的电阻率(也可以是连接器中弹簧材料),“l”是导体的长度,而“a”是导体的横截面积(或连接器中弹簧的几何形状)。对于给定的材料,例如磷青铜和接触几何形状,这些参数是常数,因此连接器的整体电阻是恒定的。


永 久连接电阻和接口或可分离连接电阻是可变的。这些电阻易受多种退化机理的影响,这将在后面的文章中讨论。需要指出的是,连接器受到的影响很多,比如恶劣环境、热、寿命、振动等。并且总的连接器电阻可能从原来的15毫欧变化到例如100毫欧,电阻的变化主要出现在可分离和永 久连接电阻中。可分离的界面电阻是最容易退化的,因为在可分离处产生力和变形等。

简单地说,两个主要的可分离的界面要求产生一定的力和变形。连接器的咬合力是第 一种也是最明显的要求。对于高PIN数连接器,必须控制单个PIN位的咬合力,而接触法向力是受此要求制约的主要参数之一。例如,可分离的连接接触力是几十到几百克,而绝缘压接连接,或称IDC,力的数量级是几千克,相应的压入连接中的力也是这样。这种永 久连接中高的力提供了更大的机械稳定性和更低的电阻值,比可分离连接的电阻值要低得多。

同样的情形,相对于可分离连接,较高的永 久连接力允许接触表面更大的变形。压接连接是最明显的例子,比如压接端子的显著变形,以及单个导体的明显变形等。压接连接的力和相应的PIN脚都允许更大的变形接触表面。与较高的力一样,与可分离的接触电阻相比,永 久连接的较大表面变形降低了它们的电阻。

可分离连接面的变形也受到另一种可分离界面要求的限制:配合耐久性。高的表面变形通常导致高的表面磨损,这反过来可能导致接触涂层的损失,例如在接触表面上的金或锡。这种涂层的损失将增加接触表面的腐蚀敏感性,这将在以后的文章中讨论。

与永 久连接相比,可分离的接口咬合力和咬合耐久性的结合限制了可分离界面的变形和机械稳定性,也是可分离界面的较低电稳定性的原因。

一般来说,两个表面之间的接触面积越大,界面的电阻就越低。实际上,对于导体长度的电阻,两个表面之间的接触面积类似于方程Rcond. = r l/a。由于可分离连接的接触面积比永 久连接低,所以它们具有较高的电阻。

总之,与永 久连接相比,可分离连接的力降低导致机械稳定性降低,接触面积减小导致更高的电阻。

这些问题,即接触力的减小和接触面积的减小,直接影响了可分离接触界面的退化敏感性。图2显示了可分离接触界面的放大示意图。图中显示说明,在这种接触界面的微观尺度上,所有表面都是粗糙的。这意味着接触界面本身将由一个称为a点或凹凸不平的接触点的分布组成,而不是一个完整的区域接触。这种凹凸不平的结构是导致接触界面电阻增大的原因。减少的接触面积,包括a点在某一几何区域上的分布,取决于接触表面的几何形状。一种称为收缩电阻的电阻,是由于电流被挤压到流过单个a点而产生的。通过各种方法增加接触面积可以降低收缩电阻,但消除不了。因此,连接器总是会给电气系统增加一些电阻值。从这个角度出发,连接器设计的首要目标是控制电阻的大小和稳定性。

图2:从微观上看接触界面的固有表面粗糙度。

如前所述,界面电阻的大小取决于当插头和插座触点相互接触时产生的接触区域。影响接触电阻稳定性的主要因素有两种:接触界面的扰动和a点的腐蚀。这些因数如何影响连接器退化机理将在以后讨论。总之,这些机理包括:

1 ,在接触界面及其周围发生腐蚀,从而减少接触面积。有两种腐蚀机理: 表面腐蚀,直接影响接触面积;诱导或微动,这可以提高接触界面对腐蚀的敏感性。

2,由于电镀不足或电镀磨损而丧失接触电镀的完整性,从而增加了腐蚀的敏感性。大多数连接器触点都是镀有贵金属的表面层,如黄金;或普通电镀表面,一般是锡。这些镀层的主要目的之一是保护接触基体(通常是铜合金)免受腐蚀。贵金属和非贵金属的腐蚀敏感性是不同的,后面将分别讨论.

3,接触力损失,导致机械稳定性降低,接触界面易受微动影响。导致连接器接触力降低的主要机理是接触应力过大和应力松弛。由于时间/温度的影响,应力松弛是指接触力随时间变化而损失.

更详细的退化机理研究请关注协会公众号后面的内容。

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