- 連接器接觸電阻的作用原理
- 連接器接觸電阻的影響因素
- 連接器接觸電阻的問題研討
不論是高頻電連接器，還是低頻電連接器，接觸電阻、絕緣電阻和介質(zhì)耐壓（又稱抗電強(qiáng)度）都是保證電連接器能正常可靠地工作的最基本的電氣參數(shù)。通常在電連接器產(chǎn)品技術(shù)條件的質(zhì)量一致性檢驗(yàn)A、B組常規(guī)交收檢驗(yàn)項(xiàng)目中都列有明確的技術(shù)指標(biāo)要求和試驗(yàn)方法。這三個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目也是用戶判別電連接器質(zhì)量和可靠性優(yōu)劣的重要依據(jù)。但根據(jù)多年來從事電連接器檢驗(yàn)的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)；目前各生產(chǎn)廠之間以及生產(chǎn)廠和使用廠之間，在具體執(zhí)行有關(guān)技術(shù)條件時(shí)尚存在許多不一致和差異，往往由于采用的儀器、測試工裝、操作方法、樣品處理和環(huán)境條件等因素的不同，直接影響到檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。為此，針對目前這三個(gè)常規(guī)電性能檢驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)際操作中存在的問題進(jìn)行一些專題研討，對提高電連接器檢驗(yàn)可靠性是十分有益的。
另外，隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，新一代的多功能自動檢測儀正在逐步替代原有的單參數(shù)測試儀。這些新型測試儀器的應(yīng)用必將大大提高電性能的檢測速度、效率和準(zhǔn)確可靠性。
2.1 作用原理
在顯微鏡下觀察連接器接觸件的表面，盡管鍍金層十分光滑，則仍能觀察到5-10微米的凸起部分。會看到插合的一對接觸件的接觸，并不是整個(gè)接觸面的接觸，而是散布在接觸面上一些點(diǎn)的接觸。實(shí)際接觸面必然小于理論接觸面。根據(jù)表面光滑程度及接觸壓力大小，兩者差距有的可達(dá)幾千倍。實(shí)際接觸面可分為兩部分；一是真正金屬與金屬直接接觸部分。即金屬間無過渡電阻的接觸微點(diǎn)，亦稱接觸斑點(diǎn)，它是由接觸壓力或熱作用破壞界面膜后形成的。這部分約占實(shí)際接觸面積的 5-10%。二是通過接觸界面污染薄膜后相互接觸的部分。因?yàn)槿魏谓饘俣加蟹祷卦趸餇顟B(tài)的傾向。實(shí)際上，在大氣中不存在真正潔凈的金屬表面，即使很潔凈的金屬表面，一旦暴露在大氣中，便會很快生成幾微米的初期氧化膜層。例如銅只要2-3分鐘，鎳約30分鐘，鋁僅需2-3秒鐘，其表面便可形成厚度約2微米的氧化膜層。即使特別穩(wěn)定的貴金屬金，由于它的表面能較高，其表面也會形成一層有機(jī)氣體吸附膜。此外，大氣中的塵埃等也會在接觸件表面形成沉積膜。因而，從微觀分析任何接觸面都是一個(gè)污染面。
綜上所述，真正接觸電阻應(yīng)由以下幾部分組成；
1) 集中電阻
電流通過實(shí)際接觸面時(shí)，由于電流線收縮（或稱集中）顯示出來的電阻。將其稱為集中電阻或收縮電阻。
2) 膜層電阻
由于接觸表面膜層及其他污染物所構(gòu)成的膜層電阻。從接觸表面狀態(tài)分析；表面污染膜可分為較堅(jiān)實(shí)的薄膜層和較松散的雜質(zhì)污染層。故確切地說，也可把膜層電阻稱為界面電阻。
3) 導(dǎo)體電阻
實(shí)際測量電連接器接觸件的接觸電阻時(shí)，都是在接點(diǎn)引出端進(jìn)行的，故實(shí)際測得的接觸電阻還包含接觸表面以外接觸件和引出導(dǎo)線本身的導(dǎo)體電阻。導(dǎo)體電阻主要取決于金屬材料本身的導(dǎo)電性能，它與周圍環(huán)境溫度的關(guān)系可用溫度系數(shù)來表征。
為便于區(qū)分，將集中電阻加上膜層電阻稱為真實(shí)接觸電阻。而將實(shí)際測得包含有導(dǎo)體電阻的稱為總接觸電阻。
在實(shí)際測量接觸電阻時(shí)，常使用按開爾文電橋四端子法原理設(shè)計(jì)的接觸電阻測試儀（毫歐計(jì)），其專用夾具夾在被測接觸件端接部位兩端，故實(shí)際測量的總接觸電阻 R由以下三部分組成，可由下式表示：
R= RC + Rf + Rp,式中：RC-集中電阻；Rf-膜層電阻；Rp-導(dǎo)體電阻。
接觸電阻檢驗(yàn)?zāi)康氖谴_定電流流經(jīng)接觸件的接觸表面的電觸點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的電阻。如果有大電流通過高阻觸點(diǎn)時(shí)，就可能產(chǎn)生過分的能量消耗，并使觸點(diǎn)產(chǎn)生危險(xiǎn)的過熱現(xiàn)象。在很多應(yīng)用中要求接觸電阻低且穩(wěn)定，以使觸點(diǎn)上的電壓降不致影響電路狀況的精度。
測量接觸電阻除用毫歐計(jì)外,也可用伏-安計(jì)法,安培-電位計(jì)法。
在連接微弱信號電路中，設(shè)定的測試參數(shù)條件對接觸電阻檢測結(jié)果有一定影響。因?yàn)榻佑|表面會附有氧化層，油污或其他污染物，兩接觸件表面會產(chǎn)生膜層電阻。由于膜層為不良導(dǎo)體，隨膜層厚度增加，接觸電阻會迅速增大。膜層在高的接觸壓力下會機(jī)械擊穿，或在高電壓、大電流下會發(fā)生電擊穿。但對某些小型連接器設(shè)計(jì)的接觸壓力很小，工作電流電壓僅為mA和mV級，膜層電阻不易被擊穿，接觸電阻增大可能影響電信號的傳輸。
在GB5095“電子設(shè)備用機(jī)電元件基本試驗(yàn)規(guī)程及測量方法” 中的接觸電阻測試方法之一，“接觸電阻-毫伏法” 規(guī)定，為防止接觸件上膜層被擊穿，測試回路交流或直流的開路峰值電壓應(yīng)不大于20mV，交流或直流的測試中電流應(yīng)不大于100mA。
在GJB1217“電連接器試驗(yàn)方法” 中規(guī)定有“低電平接觸電阻” 和“接觸電阻” 兩種試驗(yàn)方法。其中低電平接觸電阻試驗(yàn)方法基本內(nèi)容與上述GB5095中的接觸電阻-毫伏法相同。目的是評定接觸件在加上不改變物理的接觸表面或不改變可能存在的不導(dǎo)電氧化薄膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗(yàn)電壓不超過20mV，試驗(yàn)電流應(yīng)限制在100mA。在這一電平下的性能足以表現(xiàn)在低電平電激勵(lì)下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗(yàn)方法目的是測量通過規(guī)定電流的一對插合接觸件兩端或接觸件與測量規(guī)之間的電阻。通常采用這一試驗(yàn)方法施加的規(guī)定電流要比前一種試驗(yàn)方法大得多。如國軍標(biāo)GJB101“小圓形快速分離耐環(huán)境電連接器總規(guī)范”中規(guī)定；測量時(shí)電流為1A，接觸對串聯(lián)后，測量每對接觸對的電壓降，取其平均值換算成接觸電阻值。
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2.2 影響因素
主要受接觸件材料、正壓力、表面狀態(tài)、使用電壓和電流等因素影響。
1) 接觸件材料
電連接器技術(shù)條件對不同材質(zhì)制作的同規(guī)格插配接觸件，規(guī)定了不同的接觸電阻考核指標(biāo)。如小圓形快速分離耐環(huán)境電連接器總規(guī)范GJB101-86規(guī)定，直徑為1mm的插配接觸件接觸電阻，銅合金≤5mΩ,鐵合金≤15mΩ。
2) 正壓力
接觸件的正壓力是指彼此接觸的表面產(chǎn)生并垂直于接觸表面的力。隨正壓力增加，接觸微點(diǎn)數(shù)量及面積也逐漸增加，同時(shí)接觸微點(diǎn)從彈性變形過渡到塑性變形。由于集中電阻逐漸減小，而使接觸電阻降低。接觸正壓力主要取決于接觸件的幾何形狀和材料性能。
3) 表面狀態(tài)
接觸件表面一是由于塵埃、松香、油污等在接點(diǎn)表面機(jī)械附著沉積形成的較松散的表膜，這層表膜由于帶有微粒物質(zhì)極易嵌藏在接觸表面的微觀凹坑處，使接觸面積縮小，接觸電阻增大，且極不穩(wěn)定。二是由于物理吸附及化學(xué)吸附所形成的污染膜，對金屬表面主要是化學(xué)吸附，它是在物理吸附后伴隨電子遷移而產(chǎn)生的。故對一些高可靠性要求的產(chǎn)品，如航天用電連接器必須要有潔凈的裝配生產(chǎn)環(huán)境條件，完善的清洗工藝及必要的結(jié)構(gòu)密封措施，使用單位必須要有良好的貯存和使用操作環(huán)境條件。
4) 使用電壓
使用電壓達(dá)到一定閾值，會使接觸件膜層被擊穿，而使接觸電阻迅速下降。但由于熱效應(yīng)加速了膜層附近區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)，對膜層有一定的修復(fù)作用。于是阻值呈現(xiàn)非線性。在閾值電壓附近，電壓降的微小波動會引起電流可能二十倍或幾十倍范圍內(nèi)變化。使接觸電阻發(fā)生很大變化，不了解這種非線***，就會在測試和使用接觸件時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤。
5) 電流
當(dāng)電流超過一定值時(shí)，接觸件界面微小點(diǎn)處通電后產(chǎn)生的焦耳熱（）作用而使金屬軟化或熔化，會對集中電阻產(chǎn)生影響，隨之降低接觸電阻。
2.3 問題研討
1) 低電平接觸電阻檢驗(yàn)
考慮到接觸件膜層在高接觸壓力下會發(fā)生機(jī)械擊穿或在高電壓、大電流下會發(fā)生電擊穿。對某些小體積的連接器設(shè)計(jì)的接觸壓力相當(dāng)小，使用場合僅為mV或mA 級，膜層電阻不易被擊穿，可能影響電信號的傳輸。故國軍標(biāo)GJB1217-91電連接器試驗(yàn)方法中規(guī)定了兩種試驗(yàn)方法。即低電平接觸電阻試驗(yàn)方法和接觸電阻試驗(yàn)方法。其中低電平接觸電阻試驗(yàn)?zāi)康氖窃u定接觸件在加上不能改變物理的接觸表面或不改變可能存在的不導(dǎo)電氧化簿膜的電壓和電流條件下的接觸電阻特性。所加開路試驗(yàn)電壓不超過20mV，而試驗(yàn)電流應(yīng)限制在100mA，在這一電平下的性能足以滿足以表現(xiàn)在低電平電激勵(lì)下的接觸界面的性能。而接觸電阻試驗(yàn)?zāi)康氖菧y量通過規(guī)定電流的一對插合接觸件兩端或接觸件與測量規(guī)之間的電阻,而此規(guī)定電流要比前者大得多，通常規(guī)定為1A。
2) 單孔分離力檢驗(yàn)
為確保接觸件插合接觸可靠，保持穩(wěn)定的正壓力是關(guān)鍵。正壓力是接觸壓力的一種直接指標(biāo)，明顯影響接觸電阻。但鑒于接觸件插合狀態(tài)的正壓力很難測量，故一般用測量插合狀態(tài)的接觸件由靜止變?yōu)檫\(yùn)動的單孔分離力來表征插針與插孔正在接觸。通常電連接器技術(shù)條件規(guī)定的分離力要求是用實(shí)驗(yàn)方法確定的，其理論值可用下式表達(dá)。
F=FN•μ
式中FN為正壓力， μ為摩擦系數(shù)。
由于分離力受正壓力和摩擦系數(shù)兩者制約。故決不能認(rèn)為分離力大，就正壓力大接觸可靠。現(xiàn)在隨著接觸件制作精度和表面鍍層質(zhì)量的提高，將分離力控制在一個(gè)恰當(dāng)?shù)乃缴霞纯杀ＷC接觸可靠。作者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，單孔分離力過小，在受振動沖擊載荷時(shí)有可能造成信號瞬斷。用測單孔分離力評定接觸可靠性比測接觸電阻有效。因?yàn)樵趯?shí)際檢驗(yàn)中接觸電阻件很少出現(xiàn)不合格，單孔分離力偏低超差的插孔，測量接觸電阻往往仍合格。
3) 接觸電阻檢驗(yàn)合格不等于接觸可靠。
在許多實(shí)際使用場合，汽車、摩托車、火車、動力機(jī)械、自動化儀器以及航空、航天、船舶等軍用連接器，往往都是在動態(tài)振動環(huán)境下使用。實(shí)驗(yàn)證明僅用檢驗(yàn)靜態(tài)接觸電阻是否合格，并不能保證動態(tài)環(huán)境下使用接觸可靠。往往接觸電阻合格的連接器在進(jìn)行振動、沖擊、離心等模擬環(huán)境試驗(yàn)時(shí)仍出現(xiàn)瞬間斷電現(xiàn)象。故對一些高可靠性要求的連接器，許多設(shè)計(jì)人員都提出最好能100%對其進(jìn)行動態(tài)振動試驗(yàn)來考核接觸可靠性。最近，日本耐可公司推出了一種與導(dǎo)通儀配套使用的小型臺式電動振動臺，已成功地應(yīng)用于許多民用線束的接觸可靠性檢驗(yàn)。
