（检测技术与自动化装置专业论文）常用连接器材料触点微动性能研究.pdf

北京邮电大学工学硕士学位论文 常用连接器材料微动性能研究 摘要 在通信系统电子电力系统中使用了大量的电子连接器，其连接 可靠性严重影响了系统的性能，经分析，微动是造成连接不可靠的 主要原因之一。 本文首先讨论了微动实验数据的处理方法。在分析了微动实验 数据的特点之后，采用以下方法进行处理：首先求取每个周期内各 采样点的平均值，然后利用中值滤波法剔除数据中的误差，之后采 用中值处理法或者最小二乘法进行曲线拟合，最后将所有数据保存 为文本文件和e x c e l 文件，以便进一步分析数据。 本文主要讨论了常用连接器材料触点的微动性能。主要研究的 材料有镀金材料、镀镍材料、铜材料、不锈钢材料和印制电路板材 料。接触对双边都是镀金材料时可以获得良好的微动性能，接触电 阻较低( 在接触压力为1 5 0 克和微动幅值为2 0 0 1 tm 的情况下，接 触电阻低于1 0 r e q ) 而且变化平稳。单边镀金材料的微动性能受与 之配对的材料的影响较大。镀金材料与镀镍材料和铜材料之间有较 好的微动性能，与不锈钢材料的微动性能比较差。对于镀金材料， 增加压力和镀金层厚度，可以降低接触电阻，但是当压力和镀层厚 度较大时，压力和镀层厚度的增加对减小接触电阻的作用是有限的。 镀镍材料的接触电阻在微动初期的数十周期内保持在较低水平，之 后随微动周期数增加，接触电阻急剧升高而且跳动剧烈。压力和镀 层厚度对镀镍材料的接触电阻的影响表现出一定复杂性，不同的条 件下差异比较大。铜和不锈钢材料与镀镍材料有相似的微动性能， 通过改变与之配对的接触材料，可以改善接触性能，其中，镀金材 料最好，镀镍材料和铜材料次之，不锈钢材料最差。印制电路板材 料受其自身特殊结构的影响，在不同接触区域表现出不同微动性能， 接触在波峰时，接触电阻容易上升而且变化较大；接触在波谷时， 接触电阻容易保持在较低水平而且稳定。 关键词：接触电阻微动性能数据处理连接器材料p w b 表面形貌 北京邮电大学工学硕士学位论文 唧p e r f o r m a n c eo fc o 删o nc o n n e c t o r n “淝r i a i ，si7 n d e rf r e t t 叮g a bs t r a c t t h ee l e c t r i cc o n n e c t o r sa l ew i d e l yu s e di nc o m m u n i c a t i o n , e l e c t r o n i ca n d p o w e ri n d u s t r y , s oi t sr e l i a b i l i t yi sv e r yi m p o r t a n t f r e t t i n gi so n eo ft h em a j o r r t s o n $ t h a tm a k ee l e c t r i cc o n t a c tu n r e l i a b l e i nt h eb e g i n n i n gp a r to ft h e s i s ，t h ea n a l y z i n gm e t h o df o rf r e t t i n gr e s i s t a n c e d a t ai sd i s c u s s e d f i r s t , a v e r a g i n gt h er e s i s t a n c ed a t ao fa l lt h et e s t e dp o i n ti ne v e r y f r e t t i n gc y c l e s e c o n d , m e d i a nf i l t e r i n gm e t h o di su s e dt og e tr i do fg r o s s 锄r t h i r d l y , m e d i a nm e t h o do rl e a s ts q u a r em e t h o di su s e df o rc u r v ef i t t i n g f i n a l l y , a l l o fd a t ai ss a v e da sat e x tf i l ea n de x e c lf i l ei no r d e rt of a c i l i t a t em o r ei n - d e p t h a n a l y s i so fd a t a t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ef r e t t i n gp e r f o r m a n c eo ft h e c o m m o n l y c o n n e c t o rm a t e r i a l s ，i n c l u d i n gg o l d - p l a t e dm a t e r i a l ，n i c k e l p l a t e dm a t e r i a l ，c o p p e r m a t e r i a l ，s t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a la n dp r i n t e dw i r eb o a r df p w s ) m a t e r i a l c o n t a c t p a i r s 、析lg o l d p l a t e do nb o t t ls i d e so fc o n t a c t ss h o wt h eb e s tf r e t t i n gp e r f o r m a n c e t h a ti s ，c o n t a c tr e s i s t a n c ea n di t sv a r i a t i o nl o w e rt h a nlo m q ，r e s p e c t i v e l yd u r i n g 2 0 0 0 0f r e t t i n gc y c l e su n d e rt h ec o n d i t i o no fn o r m a lf o r c e15 0 9a n d f r e t t i n g a m p l i t u d e2 0 0 i lm t h i ng o l dc o n t a c t so fg o l dp l a t i n gt h i c k n e s s0 4umh a v et h e b e s tf r e t t i n gb e h a v i o r s i fo n l yo n es i d ei s g o l d - p l a t e dm a t e r i a l ，i t sf r e t t i n g p e r f o r m a n c ei sa f f e c t e db yt h em a t e r i a lo ft h eo t h e rs i d e c o n t a c tp a i r sw i t h g o l d - p l a t e dm a t e r i a la n dn i c k e l - p l a t e dm a t e r i a lh a v eg o o dp e r f o r m a n c e ，a sw e l la s c o n t a c tp a i r sb e t w e e ng o l d - p l a t e dm a t e r i a la n dc o p p e rm a t e r i a l o nt h ec o n t r a r y , c o n t a c t p a i r s b e t w e e n g o l d p l a t e d m a t e r i a la n ds t a i n l e s ss t e e lh a v eb a d p e r f o r m a n c e i tc a nr e d u c et h ec o n t a c tr e s i s t a n c et oi n c r e a s ep r e s s u r eo rs u r f a c e c o a t i n gt h i c k n e s sf o rg o l d - p l a t e dm a t e r i a l ，b u tw h e nr e a c h i n gac e r t a i ns c a l a r , t h e e f f e c ti sl i m i t e d t h ec o n t a c tr e s i s t a n c eo fn i c k e l p l a t e dm a t e r i a li sl o wa tt h e b e # n n i n go fd o z e n so fc y c l e s ，a n dt h e ns h a r p l yr i s e sa n di n t e n s e l yc h a n g e sw i t ht h e i n c r e a s ei nc y c l e s t h ee f f e c to fp r e s s u r ea n ds u r f a c ec o a t i n gt h i c k n e s sf o rc o n t a c t r e s i s t a n c eo f n i c k e l - p l a t e dm a t e r i a li sc o m p l e x ，a n dc o n t a c tr e s i s t a n c eu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n si si nt h er e l a t i v e l yl a r g ed i f f e r e n c e t h ef r e t t i n gp e r f o r m a n c eo fc o p p e r 北京邮电大学工学硕士学位论文 a n ds t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a li ss i m i l a rt on i c k e l - p l a t e dm a t e r i a l ，a n di tc a nb e i m p r o v e db yc h a n g i n gt h em a t c h i n gm a t e r i a lo ff r e t t i n g , w h i c hg o l d - p l a t e di sb e s t , 1 1 i c k e l p l a t e da n dc o p p e rm a t e r i a ll i m i t e da n ds t a i n l e s ss t e e lw o r s t p w bm a t e r i a l a f f e c t e db yi t ss p e c i a ls t r u c t u r eh a sd i f f e r e n tf r e t t i n gp e r f o r m a n c ew h e nt h ef r e t t i n g 剐嘭ai sd i f f e r e n t w h e nc o n t a c t i n go np e a k s ，c o n t a c tr e s i s t a n c et r e n d st oi n c r e a s ea n d i n t e n s e l yc h a n g e s h o w e v e r , w h e nc o n t a c t i n gi nt r o u g h s ，c o n t a c tr e s i s t a n c ei sl o w a n dc h a n g e si ns m o o t h k e y 、o r d s ：c o n t a c tr e s i s t a n c e c o n t a c tm a t e d a l f r e t t i n gb e h a v i o r d a t ap r o c e s s i n g p w bs u r f a c em o r p h o l o g y i l i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 星圣尘! 名。日期：丝篮：主：! 笙 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：竺12 ：! ：! 丝 日期：叠：主：! 丝 北京邮电大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电接触可靠性的重要性及影响因素 在通信、计算机、测量、控制及各类电子系统中需要使用大量的电子连接。 它们起着各种电子元件电路之间、设备之间乃至系统之间的彼此维系作用。电 接触学是专门研究电子连接的科学，是用来描述两个组件因带电接触而产生的 一种状态。由于这种电子连接大多是通过机械结构来实现的，因此也称之为机 电元件。所有的电接触完成三类功能，即接通，保持或切断一个电路，并且在 或长或短的时间间隔里重复这些操作。对于电接触最主要的要求是能够长时间 地保持低且稳定的接触电阻，连接件材料应当具有良好的导电性能。连接的方 式包括永久连接如焊接、压接等，半永久连接如各类连接器( 俗称接插件) 、小 开关等，电弧连接如继电器开关、断路器等。连接器大多暴露于大气中，大气 污染如尘土、腐蚀性气体以及接触界面的材料及其表面形貌、化学与物理特征 等对连接可靠性有重要影响。因此电接触科学是一门以机械摩擦学为基础并涉 及电子学、化学、材料科学等多门学科的一门重要的交叉科学。国际著名学者 前阿波罗登月飞船的电接触顾问w i l l i a m s o n 博士曾多次强调指出“没有可靠的 电子连接，就不可能发展先进电子学 ，足见电接触科学在现代科学发展中的重 要位置【1 1 。 工业中愈来愈发现微动磨损的普遍性。除了在常规机械( 汽车工业、航空 工业以及机械电子工业) 中，在一些尖端技术如原子反应堆、航天技术、计算 机硬件、喷气发动机、大功率涡轮机等中都存在许多微动磨损问题。目前的研 究已扩展到高温、高压、真空、辐射、各种气氛、液体介质等，研究的材料除 工业上常用的碳钢、合金钢，还涉及到各种高温合金、有色金属、非金属、各 种涂层以及复合材料等。必须指出在绝大多数情况下应该避免微动的发生。 在电接触现象的研究中，所涉及的领域非常广泛，包括物理学，化学，微 电子学等等，非常复杂。影响电接触可靠性的主要因素列于图1 1 中，显然， 接触行为受到许多参数的影响和控制。电接触研究的主要目的就是发现导致接 触失效的主要因素，并且找到解决这些问题的办法。 北京邮电大学工学硕士学位论文 图1 - 1影响电接触可靠性的因素 1 2 微动对可靠电接触的影响 1 2 1 微动简介 微动现象是指我们通常所说的处于“静态接触”状态的两固体接触表面之间 的周期性小振幅( 不超过2 5 0 um 【2 】) 相对运动。在电接触领域，要考虑的不仅 仅是微动磨损问题，更重要的是微动对接触电阻的影响。首先要提到的是氧化 对微动磨损有很重要的影响和作用，常将这种情形下的微动磨损称为“微动腐 蚀”。出现微动腐蚀时，表面金属氧化物的绝缘特性对接触电阻的影响是令电子 工程师十分头痛的一个问题。此外，当某些金属，如钯等被用作接触材料时， 在微动过程中，由于吸附了工作环境中的有机气氛污染物，因而在接触表面生 成摩擦聚合物，这类绝缘物质也同样会增大接触电阻。 相比较而言，电子连接器在低电压、小电流的工作场合，微动过程中接触 表面上的绝缘物质的危害较大，而在大功率电力电路中，绝缘物可能由于电冲 击而被去除，对电路的影响减小。 2 北京邮电大学工学硕士学位论文 微动现象的起因多种多样，主要包括：( 1 ) 环境振动以及环境温度的改变； ( 2 ) 接触材料本身的热膨胀系数不同；( 3 ) 工作环境中电磁力的变化引起的接 点振动，例如接点附近通过交流电的两平行导体所产生的电磁力，这种情况在 某些大功率总线连接技术中出现频率较高；( 4 ) 应力松弛。在实际应用场合中， 大家都比较熟悉的是汽车连接器的微动现象，这种工作状况中环境振动、热冲 击等往往同时存在，因此微动也频繁发生。 国外对微动的研究可以追溯到二十世纪初期，1 9 1 1 年e n d e n , r o s e 和 c u n n i n 曲a m t 3 1 ，在其疲劳实验机夹具与钢试件配合处观察到了红棕色氧化磨屑， 首次观察到微动和疲劳的联系，直到1 9 2 7 年t o m l i n n 【4 】认为腐蚀是次要因素，并 提出了一种微动机理，并在其研究报告中首次出现“f r d ：t h l 矿一词。1 9 4 9 年 m i n d l i n s l 首次将接触力学引入微动领域，为微动力学分析奠定了基础；1 9 5 0 年， 在美国p h n a d e l p h i a 召开的首届微动摩擦学会议对一些微动现象如摩擦氧化、摩擦 腐蚀进行了描述：接着是1 9 5 3 年和1 9 5 4 年分别由f e n g l 6 和u h i t 7 】提出了化学机械 论和磨损速率变化理论。1 9 6 4 年，b o w d e n 暑l l t a b o r 发表了经典专著 mf r i c t i o n a n dl u b r i c a t i o no fs o l i d s 的第二部分。19 6 9 年n i 幽0 k a 等【8 】提出了一种微动疲 劳模型，预测了试件的微动疲劳寿命；1 9 7 2 年w a t o r h o u s e 9 】在总结前人研究的基 础上发表了首部有关微动的专著 f r e t t i n gc o r r o s i o n ) 。1 9 8 8 年，b e r t h i e r v m c e n t 和g o d e t 1 0 】提出了速度调节理论，g o d e t 1 1 】i 提出了微动磨损的三体理论。在这一 阶段，关于微动现象的研究才算真正的开始，有关微动损伤的研究论文数量大大 增加，对微动损伤机理的研究更加系统和深入，出现了一些微动理论。 我国对微动磨损的研究工作起步较晚，有关的文献报道始于八十年代初期， 之后逐渐得到发展。1 9 9 7 年1 1 月，我国举办的首届国际微动摩擦学专题会议 在中国成都举行，会议集中了众多国内外著名微动摩擦学专家，使国内同行及 时了解了国际新动态，促进了我国该领域的发展。近年来我国开展微动摩擦学 实验研究的单位已有三十多个，主要是对材料学和摩擦学具有研究实力的高等 院校和科研院所，以及对开展微动损伤研究有迫切要求的机构和企业。但至今， 在疲劳寿命设计，可靠性设计及强度标准中，仍没有把微动损伤的影响考虑进 去，在故障分析中也没有这个概念。而微动摩擦学是一门快速发展的新型交叉 学科，微动损伤在高科技领域如航天航空、核工业、高速运输等等己成为一个 失效破坏的主要原因。因此积极开展该学科的研究，缩小与先进国家研究的差 距，将有助于我国高科技技术的发展。 1 2 2 微动磨损机理和过程 磨损是指摩擦副( 接触对) 表面作相对运动时，由于机械作用或化学作用 3 北京邮电大学工学硕士学位论文 等的发生所导致的表面材料的脱落现象。在对黑色金属表面的微动现象进行研 究后，人们对于微动磨损的一些主要机理形成了比较一致的认识。 微动磨损是一种典型的复合式磨损，同时涉及粘着、磨料、氧化和疲劳磨 损。两固体接触表面上发生周期性小振幅相对运动，就可能出现微动磨损。它 包括两种形式【1 2 】【1 3 】：一种直接发生在表面上，可能导致零件松动、功率损耗或 噪声增大。另一种是间接的，微动磨损表面或亚表面层中产生微裂纹，在反复 应力下发展成疲劳断裂，这种磨损称为微动疲劳。后者危害性更大，因为即使 克服了微动作用，留下的裂纹仍可能继续扩展。 微动磨损会使得薄的镀层材料在局部完全损失，暴露出底层金属来，可能 的危害主要有三个方面：乱底层金属的微动腐蚀，亦即诸如氧化物之类的绝缘 物的堆积造成接触失效；b 底层金属在微动中形成摩擦聚合物，诸如钯等；c 由于底层金属和镀层金属电极电位的不同，如表层为金，底层为铜，当大气中 的水分( 含离子溶液) 积留于磨损区域中时，形成微电池，导致底层金属的进 一步损失。 微动磨损的发生过程如下：接触压力使接合面上实际承载峰顶塑性变形， 产生粘着。小幅振动将粘着结点剪切脱落，露出基体金属表面。这些脱落颗粒 和新生表面又和大气中的氧继续反应，生成氧化磨屑，它们滞留在接合面上起 着磨料作用，如此循环不止。 如果接触压力足够大，微动磨损点的疲劳裂纹会继续发展；微动的损坏特 征是摩擦表面有较集中的凹坑，磨损产物往往是氧化物颗粒，所以有时也称为 微动腐蚀或微动疲劳。 下面分四个方面对微动磨损的情况予以描述。 ( 1 ) 粘着的作用 微动磨损最开始是粘着磨损。两个相互接触的固体表面会发生粘着，这时 需要一定的法向拉力才能使它们分开，这个拉力被称为粘着力【1 4 】。摩擦副表面 接触首先发生在粗糙凸峰顶，峰顶受载过大接近或超过金属原子之间的结合力 时，峰顶接触面间便相互粘结在一起。当两个接触界面间有相对滑移时，粘结 处受到剪力和压力的联合作用，微观峰顶被剪断，剪断出现在剪切强度较低的 部位，这样被剪断的材料或粘结转移到另一表面上去或成为磨损颗粒而离开接 触界面【1 5 】。 粘着有利有弊。有利之处在于在某些场合需要把两个表面粘接在一起就需 要强烈的粘着作用。但是，对于工程中的许多微动和滑动表面而言，粘着是有 害的，它导致摩擦和磨损。 通常用粘着系数a ( a d h e s i o nc o e f f i c i e n t ) 和粘着功w a b ( w o r ko f a d h e s i o n ) 表 4 北京邮电大学工学硕士学位论文 示材料粘着行为。 粘着系数= 彤 式( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中，联表示分离两个表面的拉力( 一般作为粘着力) ，呒表示所 施加的载荷。 粘着功w a b = r a + r b t a b式( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中，1 a 和r b 分别为材料a 和b 单位面积上的表面自由能，r a b 为 a b 界面自由能( 即介面上吸收的能量) 。 粘着不仅发生在接触固体之中，固体之间存在液体或两个粘性体接触时也 会发生粘着。如果固体表面非常洁净，表面的化学膜和吸附膜都被清除掉，那 么表面之间将发生剧烈的粘着。在许多情况下，表面污染物和薄膜将减小粘着， 但也有相反的情况。即使润滑良好的表面也会发生轻微粘着。一般来说，同种 金属相接触，两表面粘着磨损相同；不同金属相接触，磨损主要发生在较软的 金属上。 ( 2 ) 磨屑的作用 在微动的初始阶段，粘着材料可能转移到另一表面上，又可能转移回来。 不同材料接触，一般是材料从低强度低硬度表面转移到高的表面。全过程中有 几种磨屑形成：( i ) 转移材料逐步氧化，被推出变成磨屑。( i i ) 连续转移所 形成的氧化膜反复疲劳产生磨屑。( i i i ) 表面凸峰微切削作用产生磨屑。磨屑在 脱离母体时一般颗粒较大。然后在随后的微动磨损中变得愈来愈细，并吸收了 大量机械能，使磨屑具有极大的化学活性，只要接触到氧便迅速氧化；少数未 受到再次微动的粒子仍可能以原始状态逸出。 各种金属在空气中产生的氧化物磨屑都是它的最终氧化状态。铜的最终微 动磨屑为黑色的c u o ；铝和铝合金的磨屑主要是黑色的氧化铝( 带少量金属铝) ； 镍的磨屑是n i o 和少量金属镍；不活泼的贵金属( a u 、p t ) 的磨屑则是纯金属 粉末磨屑。 微动磨损与滑动磨损不同，微动磨损界面上有氧化物磨屑在起磨料磨损作 用，构成磨屑、接触对三体磨损。当粒子硬度至少是被擦伤面的1 2 倍时，起 到微切削作用。氧化物和金属硬度比对微动损伤有影响，硬度比愈大损伤愈严 重。 到微动后期，磨屑增多，将表面分开直至完全隔开，此刻粘着已减少很多。 氧化磨损对表面微动的影响是多重性的，不应简单认为只产生磨料磨损。 ( 3 ) 脱层的作用 1 9 7 3 年n e s u h 1 6 】提出的脱层理论( t h e o r yo fd e l a m i n a t i o n ) 。当接触的两 表面相对运动时，硬表面的峰项滑过软表面时，软表面上每点都经受一次循环 5 北京邮电大学工学硕士学位论文 载荷。由于产生塑性变形，金属表面出现大量位错，但是最外表层的位错( 大 约有几十个微米厚度) 由于映像力( 来源于表面或界面的吸引) 的作用而消失， 靠近表面的位错密度常小于内部，所以表层金属能够经受更大的塑性变形。表 层低位错密度区的厚度决定于金属表面能和作用在位错上正应力的大小。当峰 顶在表面上继续运动时，表面下的有限距离内将出现位错堆积，并将导致形成 空位。在金属中有夹杂物的地方，更容易形成位错堆积，所以往往是裂纹核形 成的位置。每当峰顶滑过一次，裂纹受一次循环载荷，就在同样深度处向前扩 展一个短距离，扩展到一定的临界长度时，裂纹与表面之间的材料由于切应变 而以薄片的形式剥落下来。s u l l 的理论比较完整，不仅能解释接触疲劳磨损， 也能解释很多其他磨损现象。当然，这一理论还存在一些问题，要做进一步研 究，才能对一些机理作更令人满意地说明。特别是不同的表面膜层，机械特性、 物理特性都各不相同，所形成的微动磨粒形貌多种多样，有可能不是薄片。 1 2 3 微动接触电阻 评价微动中出现微动腐蚀的一大指标就是接触电阻。微动接触电阻又分为 静态接触电阻和动态接触电阻。静态接触电阻是指接触对之间没有相对移动时 的电阻，动态接触电阻是指接触对双方之间存在相对移动时的电阻。静态接触 电阻一般要比动态接触电阻小。在微动过程中，动态接触电阻的值将达到很高 值，有时会达到几纳秒甚至更长时间的开路状态，这取决于微动速度，周期， 触点材料，绝缘层的物理状态和厚度。在数字电路中，接触电阻变化的实际结 果是在信号传输中产生误码。在电力连接器中静态接触电阻的升高将导致由焦 耳热产生的连接故障。本文主要研究分析接触对的动态接触电阻。微动腐蚀造 成接触电阻变化的机理如下： ( 1 ) 粗糙度模型：当金属接触点和金属磨屑转变成氧化物时，不管氧化物是 分层的、粘结的、松散的或是颗粒的，都将导致真实接触面积的连续下降。从 金属到氧化物，也有一个体积的增大，这更有助于分开两接触面。接触面积的 减少将使接触电阻增加，在有微动存在的情况下，最终会导致接触斑点的瞬时 损失，随后将建立其他微观峰顶的重新接触。不过，对c u 触点的接触电阻变 化的持续时间和微动速度之间的关系的研究表明，接触电阻变化非常短暂而无 法用粗糙度模型进行解释。 ( 2 ) 颗粒界面模型：微动碎屑是由金属颗粒、表面是氧化物的磨屑及完全被 氧化的材料所组成。当存在金属接触或氧化物非常薄而发生电子隧道效应时， 颗粒之间就会发生导电，但是这种导电是由金属和绝缘颗粒形成的“颗粒金属” 的导电。若临界金属体积浓度为6 5 ，金属含量的细微变化会使这种混合物的 6 北京邮电大学工学硕士学位论文 电阻率差几个数量级。相当小的位移将会改变通过触点的电流路径，而引起了 短时间的接触电阻的变化。 在电接触领域中，有许多国际知名专家学者曾对微动及其相关现象作过专 门研究，其中比较有影响的主要有d r m a n t l e r ，d r m b r a u n o v i c 和d r j h w h i f l e y 等。d r m b r a u n o v i c 则着眼于电力连接器在微动环境中电阻的变化 情况，他的微动设备是利用驱动部件的热胀冷缩推动实验台微动，并且设计了 循环水冷装置来实现微位移的反馈控制【1 7 1 。d r j h w h i f l e y 较多地对实际应用 的各类镀锡连接器进行了微动研究，并提出了一些避免微动腐蚀的建议【l 引。 j o c h o rh o r n 等人也曾从设计角度提出避免微动腐蚀的措施，比如在插槽插座式 连接中( p w b ) ，通过在插槽上增加一个弹簧设计来减少微动发生的可能性【1 9 1 。 章继高教授是国内首位对电接触领域的微动现象进行研究的学者，他提出当粉 尘颗粒在微动区域停留时，将有“陷阱效应”发生，所采用的微动装置是用压电 陶瓷作为驱动，以涡流传感器作为微位移反馈控制单元，微动频率较低，主要 模拟低频微动环境中电子连接器的状况【冽。日本的著名科学家i c m a n o 教授也 曾指导他的m a n o 研究所的研究人员进行微动研究，所用的微动台类似振动实 验台，主要用来研究高频微动条件下的电接触可靠性，对实验中的微动特性和 电阻特性都进行了有效的观察、记录和分析【2 1 1 。 1 2 4 微动电接触的研究 一、材料对电接触的影响 ( 1 ) 相对较稳定的贵金属 金对金：金是相当稳定的金属材料。虽然在苯蒸汽中或浸入油中的微动条 件下金的表面形成聚合物，但由于其量少因而基本上对连接器的接触电阻基本 上不造成太大危害。但是金材料太过于昂贵，在使用时，一般作为镀层材料镀 在非贵金属表面，在镀层较薄时，镀层表面会出现微孔，在长期使用时形成微 孔腐蚀，破坏了原来的良好的电接触性能。另外，金材料较软，在微动过程中 容易被磨损，在经过较短时间的微动过程后，就变成了非贵金属之间的接触了， 失去了金的保护作用。 银对银：微动条件下银是比较稳定的金属，磨损率较低，氧化程度也低( 在 室温下只有在臭氧存在时才有a 9 2 0 生成，并且在2 0 0 。c 时即降解，很容易去 除) ，而且不生成摩擦聚合物。当a g 对a g 本身构成接触副时，电接触性能良 好。但是a g 对大气中的硫和氯很敏感，这大大限制了它在连接器上的应用。 ( 2 ) 非贵金属 铝以及铝铜和金【捌 7 北京邮电大学工学硕士学位论文 这一类电接触材料受到微动腐蚀的影响很严重；在微动实验的初始阶段， 在室温下自然生成的薄层氧化物以机械破坏形式被除去，电阻略有降低，但是 随着微动周期的增长，接触电阻骤然升高。 锡对锡和焊锡【2 3 1 这一类材料被广泛应用于物美价廉的消费类电子产品中，在双列直插式集 成电路及其插座和一些计算机产品中也被大量使用。这种场合中，微动造成的 接触故障频繁发生，主要是由于氧化物在接触表面的堆积。 ( 3 ) 在微动中形成摩擦聚合物的金属 这类金属包括四组：铂、钯、铑、钌及其合金。其他金属还有像在苯蒸汽 中微动时会产生聚合物的钽、铝和铬等。聚合物的存在使得接触电阻明显升高， 钯对钯的接触最后结果很糟，因为所生成的聚合物是绝缘的。在电信行业中的 继电器及连接器中经常大量的使用钯银合金来代替钯，甚至用银作为接触物之 一，从而降低了成本，更重要的是这种情况下生成聚合物的可能性明显减少， 提高了电接触可靠性。 摩擦聚合物的形成机理还在迸一步的研究中。一般认为是工作环境中的有 机化合物强烈吸附在接触表面，在微动过程中由于某些金属的“催化”作用而生 成大分子的固态物质。由于聚合物在接触表面的堆积，越来越厚，最终导致接 触电阻升高。 ( 4 ) 接触对采用不同的金属材料 这种情况下冷焊和金属转移是最主要的问题。 人们早已发现在实际应用中金或金银合金对钯的接触要比完全是钯的接触 效果要好，因为后者会形成摩擦聚合物；而金或金银合金比钯软，这样金属转 移物主要出现在钯的表面上，从而使接触完全转化为金或金银合金的接触，改 善了接触性能。相反，如果用一种较硬材料( 如7 5 a u 2 5 c u ) 与钯接触，则金 属转移的方向是从钯转向比它硬的材料，从而使接触对完全变为钯对钯，这将 导致摩擦聚合的产生。 由于微动腐蚀的作用，镍对镍和铜对铜的接触电阻都不很稳定，不过，将 其中一接触材料改为金后，情况大为改观，由于金比较软，金属转移几乎纯粹 是从金转向镍或铜，使接触成为金对金的接触。 同样是采用不同的接触材料，同样是微动腐蚀在最终起作用，金对 6 0 s n 4 0 p b 焊锡的接触结果就与金对镍的接触不大相同了，由于焊锡比金软得 多，金属转移自然是从锡到金，使得接触成为锡对锡，锡的氧化物在接触表面 的堆积将最终导致接触失效。 二、物理参数对电接触的影响【2 4 】 8 北京邮电大学工学硕士学位论文 l 、微动一个周期的时间频率 这一参数主要影响表面的物化过程。对于易氧化的非贵金属材料，当微动 的频率越低，即一周期的时间越长时，接触电阻从低值升到高值所用的周期数 就越少；通常用氧化的机制来解释这一点，微动频率较低时，氧化物有比较充 分的时间在两次微动之间继续生长。对于采用贵金属的镀层材料，由于贵金属 化学性质稳定，不易被氧化，故电阻变化比较缓慢。如果表面的贵金属被磨穿， 露出基底材料，与非贵金属表现出相似的性质。另外一种情况是在钯对钯这一 类接触中，当环境中有机气氛的浓度增大到某一程度后，微动频率的改变不再 影响接触电阻的变化。 2 、微动幅度 在焊锡对焊锡和钯对钯的接触实验中，发现微动幅度的大小对氧化物或者 摩擦聚合物的形成与存在都有比较明显的影响。微动幅度越大，接触电阻增加 越快。这是一个相当重要的结论，因为以适当的措施降低微动幅度可以有效的 改善这种情况下的电接触性能。 3 、接触压力 接触压力大，一方面，材料转移加剧，磨损加快，金的保护作用减弱，金 容易被磨穿，而且，接触面积增大，磨屑增多，电阻升高。另一方面，接触压 力增大，对绝缘氧化物的刺穿作用加强，电阻降低。 4 、触头尺寸 触头尺寸越小，接触电阻越不稳定，主要是因为触头尺寸越小，实际接触 面积越小，在相同载荷作用下所受应力越大，表层金属变成磨屑的速度越快， 这样中间层金属就会暴露并被氧化，氧化物使得接触电阻不稳定。 5 、接触对材料的硬度 材料的硬度越大，越不容易发生粘着磨损。但是接触对材料硬度差别过大， 会导致硬度小的那一方磨损加剧。硬度越大，接触电阻上升得越慢。 三、环境因素对电接触的影响 首先，有机气氛显然对摩擦聚合物的生成有很大影响：大多数的有机物都 在此列，实用中电子元器件的封装结构中以塑料为材料的部件在一定条件下释 放出的有机气体，其危害相当大。 温湿度与微动中接触状况之间的关系还没有过深入地分析研究。不过已有 人发现铝铜双金属焊点在加热加速实验中在铝与铜之间会产生明显的金属间 化合物，使得焊点上的接触电阻变大；而且随着受热时间的延长，铝铜金属间 化合物厚度增加，焊点上的接触电阻会变得越来越大，同时造成的影响还包括 力学结构方面，因为这种金属间化合物很脆，很容易产生裂纹。另外，铜上镀 9 北京邮电大学工学硕士学位论文 锡的接触表面在受热情况下会在镀层与基底之间形成金属间化合物。 实际接触表面热效应的出现原因较复杂，诸如电流效应或者扩散区域位移 密度的增加等；表面热效应的影响也是多方面的，包括：接触表面金属界面熔 结，金属相互转移，磨损加剧；表面氧化加速；加大扩散速度，使底层金属向 表面扩散；加快表面非金属膜层的形成；加速金属间化合物的生长等。因此， 适当控制触点的温升十分必要。 1 3 课题来源、内容及意义 1 3 1 课题来源 在影响电子电力设备的性能和寿命的诸多因素中，接触对的电接触性能和 使用寿命是其中一项极其重要的因素。许多电子电力产品，比如火箭，包含了 数以万计的触点，每一个触点都相当于一个元器件。所以，电子电力设备的可 靠性受触点连接可靠性影响很大，而且随着触点数目的增多，电子电气设备的 可靠性呈下降趋势。事实上，近年来许多发达国家在电子电力领域所取得的成 就很大程度上取决于可靠的电连接。 初步实验及理论分析证明，我国通信、计算机网络、控制系统等存在严重 的误码现象，主要由电接触故障造成的。尘土、腐蚀生成物及微动磨损是故障 的主要原因。在实际应用中，很多电子设备如手机，有时会出现显示“请插入 s i m 卡”，手机自动关机等故障现象，这些故障现象的出现是由于软件或者硬件 方面的原因造成的。在硬件方面，近年来的研究表明触点在收到周围机械振动、 电磁力、热应力循环等因素影响而产生小幅度的周期性相对运动馓动，微 动磨损将最终导致在接触界面形成绝缘腐蚀物，这种现象称为微动腐蚀。微动， 因为运动幅度小，常常被人们忽视，因为表面上看其接触部位是“静止”的，实 际上接触点间的微动将产生微动腐蚀，导致较高的接触电阻值，产生接触电性 能的降低，是造成接触不可靠的重要原因之一【2 5 1 。 目前应用最广泛的电接触材料是金及其合金。m a n t l e r 指出金是一种很好 的电接触材料，但价格昂贵，电镀层比较薄，因此微孔问题比较突出；纯金硬 度低，易粘接磨损。金镀层比较薄就容易产生微孔，一旦底层金属暴露出来， 不仅会与金镀层形成为电池效应加速腐蚀，而且底层金属与环境气体反应生成 的表面腐蚀物也使接触电阻骤然升高，使接触发生故障。另外，如今市场竞争 激烈，厂商往往采取减少连接器表面贵金属镀层厚度，或者采用不对称的镀金 接触对( 即两边的镀金层厚度不同) ，或者采用非贵金属来代替贵金属作为接触 l o 北京邮电大学工学硕士学位论文 材料等诸多办法来降低成本，增加市场竞争力。这些替代方法对接触点的微动 性能的影响是本文的主要研究内容。 1 3 2 课题主要研究内容 本文将对不同镀层材料之间的接触电阻来研究分析不同接触对材料的电接 触性能。 l 、微动实验设计； 影响接触对微动性能的因素有很多，包含了接触对材料、微动频率、微动 幅度、接触压力、触头尺寸、接触对材料的硬度、循环次数等诸多因素。本文 主要研究了不同接触对材料对微动性能的影响，以及压力和镀层厚度对接触性 能的影响。 2 、微动电阻数据的获取与处理； 微动实验台系统将微动实验采样数据完整的保存下来，再根据采样数据画 出电阻曲线，这样可以很直观的反映出接触对在整个微动周期内接触电阻变化 趋势。但是，其他很多信息都被隐藏了，无法从图中反映出来，阻碍了进一步 分析接触对的微动性能。原始数据中的误差和干扰信息也并没有做相应的处理。 另外，实验结果中包含大量的数据( 一般处于数十万甚至百万级) ，如此大的数 据量会影响对接触对的微动性能的分析研究。因此，对微动实验数据做进一步 分析处理是非常必要的。 3 、各种材料接触对的微动接触电阻实验结果； 4 、各种材料接触对的微动磨损特性分析； 5 、分析压力对接触对的微动性能的影响； 6 、分析材料对接触对的微动性能的影响； 7 、分析形貌对接触对的微动性能的影响； 1 3 3 课题意义 本文主要研究了不同连接器材料在不同条件下的磨损性能，包含了镀金材 料、镀镍材料、铜材料、不锈钢材料、印制电路板材料等，以及接触压力和镀层 厚度对接触对微动性能的影响，并分析其微动特征，包含了微动过程中的接触电 阻变化和磨损特征，为连接器的使用材料和设计参数的选择提供参考。另外，本 论文讨论微动实验数据的处理方法，得到一种有效的处理实验数据的方法，为进 一步分析微动实验数据打下了基础。 北京邮电大学工学硕士学位论文 2 1 微动实验系统简介 第二章实验设备 2 1 1 系统组成和功能 对微动实验是在电接触科研室自主研发的微动实验系统上进行的。实验台 采用压电陶瓷原理形成微动。 系统以触头和样品在一定接触压力的作用下相对运动来模拟微动现象，用 四点法测试微动过程中触头与样品的接触电阻，并实时的绘出电压或电阻的曲 线。系统由两套微动台组成，微动台由压电陶瓷驱动，通过驱动控制器可分别 设定微动模式，微动行程、频率、波形以及运行周期数。两套微动台可同时进 行8 路实验。 此微动实验台的微动行程最大为2 0 0i lm ，实验压力不超过3 牛顿，频率不 超过l 赫兹，波形可设置为三角波和正弦波，周期数可以自行设置。微动模式分 为两种，一种是静态模式，用于测试静态接触电阻，即在没有微动的情况下的 接触电阻；另一种是微动模式，用于测试接触对在微动条件的接触电阻。 图2 1 微动实验系统组成示意图 系统主要由以下几部分构成： ( 1 ) 微动平台及驱动控制器，包括微动台、机械配合部分，及控制部分等。 ( 2 ) 加力机构。 ( 3 ) 接触电阻测试部分，包括恒流源、及必要的电路与连线。 1 3 北京邮电大学i 学硕学位论文 ( 4 1 计算机控制及处理。 2 l2 接触电阻测试方法 接触电阻的测试方法为四点法。其测试原理参见图2 2 。恒定电流i c 通过接触 点，a p 为p + 、p 间电压降，接触电阻r c = p i c 。( 包含p + 点到接触点间的 触头体电阻，因此，p + 点应尽可能靠近接触点。) 廊 u 儿，世 矗二= 窜二誊r 。，m “m 露引 e j 莳咖 鉴三；曼幽：i 北京邮电大学工学硕士学位论文 2 1 3 微动实验台的应用 本实验主要利用微动系统进行微动实验，获取微动实验数据，分析多种实验 条件下的微动性能。 微动台系统采用了实验室编写的控制软件e s i n g l e ，能够将实验过程中采集数 据保存为文本文件，见图2 4 。并且将采集到