纤维对连接器电接触可靠性的影响

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摘要: 尘土是导致连接器电接触故障的重要原因之一。尘土成分包含无机物和有机物两部分，纤维是尘土中常见的有机物，通过静态和动态实验模拟实际环境中纤维对连接器电接触的影响具有重要意义。纤维密度是影响静态接触电阻的主要因素;当接触界面存在纤维时，正压力对静态电阻的影响不明显。在微动过程中，正压力越大，纤维越易被推开;纤维不易进入接触面;纤维对接触面磨损的影响较小。

　　0 引言

　　电连接器触头表面的污染物导致污染区镀金表面接触电阻达到几Ω，造成严重的接触故障。污染物不仅有腐蚀性气体，还包括尘土，研究表明，尘土是造成电接触故障的主要原因。对北京西部地区室内尘土成分分析发现:无机物(例如:石英、长石、云母和方解石等) 约占尘土重量的70%，有机物( 大约有20 多种，包括炭黑)约占尘土重量的30%。研究尘土中各种成分对电接触的影响对选择合适的材料模拟尘土具有重要意义。

　　研究尘土中的硬质颗粒( 例如:石英) 和软质颗粒(例如:云母)对电接触的影响表明，颗粒的形状、尺寸、接触表面粗糙度、正压力、电流等都会造成接触电阻的非线性。同时，由于不同尘土的机械性能不同，对同一接触面造成的磨损程度也不同。有机物( 如^^^酸钠、汗水中的化学成分等)沉淀在接触表面并粘住尘土。经研究发现，长度在200 ～ 1 000 μm 的纤维容易进入手机内部。纤维带静电时沉积并粘附在接触表面，造成接触电阻开路;纤维吸收空气中的水分加速微孔腐蚀;纤维增加2 个接触面的摩擦阻力，使插拔力大幅增加。纤维引起的失效机理亟待研究。

　　1 失效试验

　　1. 1 试验条件

　　试验所用纤维由英国微粒科技公司提供，在电镜照片下统计纤维的长度为30 ～ 500 μm，宽度为15 ～ 30 μm;能谱分析结果表明，纤维中C 和O分别为83. 9%和16. 1%。

　　为了得到单层纤维对接触电阻的影响，采用水分离法制备样片。用精密分析天平( 型号AG245;精度0. 01 mg) 称取12. 2 mg 纤维溶于3 mL的酒精溶液中，超声波振荡10 min 后将悬浊液立刻滴在样片上，以防止打散后的纤维再次*。样片上滴1 滴的为第一密度，滴2 滴的为第二种密度，…，依此类推，一共制备了5 种纤维密度的样片。酒精挥发后，统计分析纤维密度如表1所示。

　　试验中用一个半球形( 直径Φ = 1 mm) 触头和一个样片模拟实际中的接触对。触头表面镀金厚度为2 μm，中间层为镍，基底为锡磷青铜，模拟连接器的簧片。样片与触头材料相同，尺寸为26 × 10 mm2，模拟印制电路板。静态试验中，样片表面镀金层厚度为0. 2 μm;动态试验中，样片表面镀金层厚度为0. 09 μm。

　　通信连接器大都是小功率连接器，为防止接触表面受热烧结，静态和动态实验采用的测试电流分别为20 mA/100 mA，开路电压均为5 V。测量电阻的原理是四点法(见图1)。

　　由于悬浊液分子表面张力的作用，纤维液滴一般是从滴落到样片上的初始位置向四周扩散，试验中选择样片上纤维分布相对均匀的位置测量接触电阻。定义在任意接触头测试的接触电阻超过10 mΩ 时纤维密度为饱和密度。

　　1. 2 静态接触试验研究

　　采用静态电阻测试台模拟实际环境中的静态接触对，该仪器的加载正压力精度为± 1 g、接触电阻测量精度为± 0. 1 mΩ。在样片上选取5 × 8点矩阵，每点间距1 mm。选择0. 2、0. 3、0. 5、0. 8、1. 0、1. 2 N 6 种正压力，在5 种纤维密度下对接触对进行静态加载实验。用MINITAB 分析软件对测试结果做箱线图统计分析，以中位数值和一个数值区间作为接触电阻的测量结果，如图2 ～图4 所示。图中标出的值为中位数值，网格区域为95%置信度的置信区间。图2 中正压力由0. 2 N增加至0. 3 N 时，接触电阻中位数值由172 mΩ降至57 mΩ;但是正压力由0. 3 N 逐渐增加至1. 2 N时，接触电阻中位数值从57 mΩ降至约36 mΩ。图3 中6 种正压力下接触对均失效。图4 表明，随着纤维密度的增加，接触电阻增加;当纤维密度达到27 个/mm2 时，随着密度增加，接触电阻中位数值稳定在约100 mΩ。

　　1. 3 动态接触试验研究

　　动态试验模拟接触界面微小的相对滑动。试验设置微动幅值为200 μm;微动频率为1 Hz;在一个微动周期中采样17 个点的接触电阻。一共设计了3 组实验:

　　(1) 在纤维密度为35 个/mm2 的样片表面上任选3 点，分别在0. 3、0. 5、1. 0 N 正压力下微动300 个周期，其微动电阻图如图5 所示。由图可见，3 个测试点分别经过4、3、2 个周期，接触电阻从5 Ω 降到约4 mΩ，然后一直保持约4 mΩ 的稳定接触电阻，表明正压力越大纤维越易被推开。

　　(2) 模拟纤维的进入试验。触头与样片的接触界面初始没有纤维，在200 μm 微动接触区带及周围堆满纤维，分别在0. 3、0. 5、1. 0 N 3 种正压力下微动5 个周期。将0. 3 N 下第一组试验与第二组试验初始5 个周期接触电阻进行对比( 见图6)，第二组试验的接触电阻升高到约20 mΩ。在0. 5、1. 0 N 下接触电阻都保持约4 mΩ，表明纤维不易进入接触区。

　　(3) 模拟改变接触区的微动过程。分别在0. 3、0. 5、1. 0 N 正压力下，在纤维密度为35 个/mm2的样片上任取一点，微动300 个周期。如果接触电阻在300 个周期里不能达到100 mΩ，不清洗触头在样片一个新的接触区重做300 个周期，如此重复5 次。

　　在每次重复试验中，几个周期后纤维被推出，接触电阻稳定在约4 mΩ，如图7 所示。对第5 次微动后样片微动区分析，接触区出现粘着磨损，微动后区域大于200 μm( 见图8)。对图8 中样片微动区域的能谱分析发现:微动区域主要元素为Au、C、O，表明金中混有极少量纤维，如表2 所示。

　　2 失效试验机理分析

　　2. 1 静态失效

　　接触电阻反映了接触面的导电特性，因此，由接触电阻判断连接器失效是最直接有效的方法之一。与大电流下不同，对于小功率连接器，接触面的微观形貌影响接触电阻。两金属表面只有少数凸出的点发生真正接触，该点被称为a 斑点，仅a斑点才能导电。从接触面a 斑点的中心线来看，波峰大体可认为是正态分布，并且现有的接触电阻数学模型主要是数理统计模型。当受到正压力时，峰顶既是挤压变形的部分，也是滑动摩擦的部分。

　　接触对间的纤维减少a 斑点的数量和面积，造成接触区电阻的突然升高。纤维受到正压力后自身变形，并随接触面一起变形。当建立金对金的连接时，接触电阻就会立即下降;但是如果纤维太多，接触电阻大幅度升高，甚至开路。因此，对于继电器这种只有法向运动的连接器应该防止纤维进入接触对之间。

　　2. 2 动态失效

　　在失效手机的接触界面上发现许多不同方向的划痕，连接器和印制电路板之间的振动和尺寸公差是造成微动接触故障的主要原因。

　　在微动过程中，纤维隔开接触区造成接触电阻升高。纤维近似为圆柱形，在正压力作用下，纤维在接触面的微动区域滚动，易被推开，接触电阻迅速下降;当触头与样片的接触区初始没有纤维时，在微动过程中纤维滚动，不易进入接触区。

　　微动试验中用到的正压力在0. 3 ～ 1. 0 N 之间，属于低应力划伤下的磨粒磨损。由于纤维的硬度很小，纤维不会明显加速接触面磨损，不会使中间层镍镀层暴露，经历的主要是磨合阶段。微量的纤维会混入磨损产物中。因此，纤维对于接插件该种可以切向运动的连接器影响不大。

　　3 结语

　　在静态下，接触面之间的纤维在正压力的作用下，不会嵌入接触材料，影响接触电阻的主要因素是纤维覆盖接触面的面积。经过几个微动周期后，纤维易被推出接触界面，正压力越大，纤维越容易推开;纤维在微动过程中不易进入接触区;对接触面磨损影响很小。纤维严重影响只有法向运动的连接器的电接触可靠性，对于可以切向运动的连接器影响较小。

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电连接器触头表面的污染物导致污染区镀金表面接触电阻达到几Ω，造成严重的接触故障。污染物不仅有腐蚀性气体，还包括尘土，研究表明，尘土是造成电接触故障的主要原因。