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连接器电接触界面的可靠性研究
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连接器电接触界面的可靠性研究

2022-12-06 11:12:26 来源:《国际线缆与连接》 作者:杨奋为 (授权转载)

【哔哥哔特导读】连接器的可分离性是区别于其它元件的特性或本质。研究影响其电接触界面可靠性的因素和相关基础理论,对夯实我国电连接器产业的技术基础和提升产品可靠性总体水平意义深远。本文在系统分析连接器接触件各种设计结构电接触界面状态基础上,研究了影响连接器电接触可靠性的因素。

引言

连接器是组成电气或电子产品的基础元件,它使电气或电子产品系统具备可分离性,使系统不做改动即可方便维护保养或更换零部件或子系统,这对电气和电子产品应用发展影响深远。

连接器的可分离性是区别于其它元件的特性或本质。连接器针(孔)接触件插合接触界面和与电线电缆端接界面的不确定性,是影响电接触可靠性的关键因素。电接触界面某些离散区域的形成,真正接触并起传导作用区域的构成,决定了连接器电接触的接触性能和可靠性[1]。没有可靠机械连接构建的电接触界面,就没有可靠的电连接器,接触界面理论是连接器设计的基础理论和核心。

我国对连接器电接触的基础理论研究非常薄弱,往往还停留在学习借鉴国外已有研究成果的纯学术理论研究阶段。而国外对连接器电接触基础理论研究非常重视。例如国外某连接器企业花了10年时间研究连接器失效机理,发现其接触不良、断路、过热和界面烧焦等四种失效模式占连接器失效概率 78%,造成失效的直接或间接原因都是由于不合理的电接触界面结构所致。

故如何紧密结合产业的供给侧改革夯实电连接器基础技术,使企业和个人能潜下心来化相当长的时间和精力,从源头去专门研究影响连接器电接触界面可靠性的因素和相关基础理论,是关系到我国电连接器未来创新发展、由“制造”大国转向“创造”大国的一项重要任务。

1 连接器电接触界面

1.1电接触界面状态分析 

连接器接触件的接触界面由于表面粗糙度不一,微观观察总是不规则和凸凹不平。当针(孔)接触件插合接触时,粗糙表面将刺破表面氧化物膜层和其他污染物膜层,从而建立局部的金属接触导电通道。随接触压力增加,氧化膜层被刺破,金属从这些破裂处挤出,使微小的金层接触斑点数量和面积也随之增加。这些金层接触斑点被冷焊在一起形成多孔接触点导电路径。氧气和其他腐蚀性气体可进入这些接触界面,与暴露的金属发生化学反应减少金属接触面积,最终导致电接触界面的消失。尽管此时针(孔)接触件被氧化表面仍存在机械接触,实际接触面积只是名义接触面积的一小部分。一般可呈现以下五种非线性接触界面(图 1):

(1)金属接触;

(2)接触界面夹有金属氧化物膜;

(3)接触界面夹有绝缘介质;

(4)接触界面夹有微小空气间隙;

(5)接触界面夹有较大空气间隙

接触界面

金属接触界面和夹有金属氧化物膜接触界面形成的收缩电阻和膜层电阻构成接触电阻,是传导电流的主要通道。金属-氧化物-金属接触界面可能是单分子结构,依靠隧道效应和金属桥导电,属半导体的非线性接触导电。夹有绝缘介质的接触界面则不导电,电流绕到金属接触界面通过。存在较大空气间隙的接触界面,电流同样环绕间隙流过。这两种情况下电流遭遇阻抗会产生一个间隙电压,可能激活任何一个半导体而引起隧道效应和微观孤击穿。在微小空气间隙的接触界面,当电流波动或有较强信号时,很容易形成微观孤击穿。对于射频连接器而言,这些不稳定击穿会形成具有偶然性的称为无源交调(PlMl)的对基波信号频率干扰[1]。

上述这些电接触界面区域的构成,往往受一系列独立的和相关因素的影响。这些影响因素可分为两类;一类是影响连接器接触件制造品质的的内部(设计、材料、工艺)因素,另一类是连接器受使用工作环境影响的外部(气候、机械、电气)因素[1]。连接器受外部因素影响,使接触件界面发生物理化学反应过程,进而影响接触界面的状态,最终影响连接器的电接触可靠性。

连接器电接触界面结构(如材质/镀层种类及它的硬度、纯度、厚度、几何形状、表面粗糙度、正向力、是否凃敷润滑剂/封孔剂及它的成分、性质、厚度等),决定了耐受外部气候(温度、湿热、盐雾、尘埃及化学气体等)、机械(振动、冲击、碰撞、微振、往复滑动和插拔频率等)和电气(电流类别、工作电流和工作电压等)环境的能力[2]。 

1.2 电接触界面分类

连接器一般不能单独使用,总是要和电线电缆连接成组件才能使用。接触件是连接器导电的核心零件,它将与电线电缆线芯端接的一端电流能量和信号,通过插针(孔)插合或弹簧针接触件接触界面,传输到与其相插合或接触的接触件端接的电线电缆线芯另一端。因此,每个接触件都存在二类电接触界面;一类是插针(孔)插合或弹簧针接触件接触的动态电接触界面,另一类是插针(孔)或弹簧针接触件和电线电缆线芯通过不可分离的(焊接、压接、绕接、穿刺、压入)或可分离的(对接、夹接)等方式端接的静态电接触界面(图 2)。例如 12、16、20 号针(孔)接触件和电线压接,中间为针(孔)插合界面,两端为针(孔)接触件和电线端接(压接)界面(图 3)。

连接器

1) 动态接触界面

连接器插针和插孔接触件的插合分离部位是滑动电接触界面,其通过接触区域的电流将伴随发生电、热和机械等物理效应。这些物理效应使接触件表面特征发生变化,其影响程度取决于通过接触界面电流大小和特征、外加电压、环境条件和接触材料等。例如PRC复合材料模块式矩形电连接器插针(孔)接触件接触部位是可快速插合分离电路的滑动电接触界面(图 4)。

连接器

2)静态端接界面

连接器接触件和电线电缆线芯端接部位是靜态电接触界面。它可分为不可分离金属连接(焊接、压接、绕接、穿刺、压入)和可分离紧固连接(对接、夹接)两类。焊接和压接等不可分离金属连接通常是在一个接触元件内形成,具有很髙的机械强度,低而稳定的接触电阻。用螺栓、螺钉或使用夹具等中间部件将接触件与电线电缆线芯机械连接的可分离紧固连接,可装拆而不破坏连接的完整性。图5为各种压接形式可分离紧固连接端子。图6为可分离用螺钉紧固连接仪器输入、输出信号接口的瞬断检测仪。

连接器

紧固连接界面受接触压力和材料塑性变形影响。材料电阻率越低、硬度越低、抗腐蚀性越髙,则紧固过渡电阻越低。因此,接触表面通常复盖如钖、银、镉等软且耐腐蚀材料。为改善电接触的连接性,通常使用不同的表面清洁技术。

2 连接器动态接触界面电接触可靠性分析

连接器选用的接触件材料性能、结构型式和结构强度等设计因素和防护凃、镀层质量、接触界面几何形状和表面微观形貌等工艺因素,决定了接触件插合动态电接触界面的接触面积、接触点数量和分布。从而影响实际的电接触面积、收缩电阻和膜层电阻,最终影响连接器接触件插合界面电接触可靠性。 

2.1 接触件设计工艺因素影响

连接器接触件设计结构可分为弹性插孔、弹性插针和弹簧针等三类;弹性插孔对应于刚性插针,有片簧式、冠簧式和线簧式三种型式。反之、弹性插针对应于刚性插孔,有绞线式、片簧式二种型式。弹簧针不同于传统的弹性插针(孔)插合界面电接触,它是靠弹簧针针筒内弹簧的弹性压力,使其活塞头与被连接接触件导电平面保持良好电接触。

1) 弹性插孔

(1) 片簧式

连接器

片簧式插孔结构简单、成本较低,在接触电阻和电流负载方面提供相对好的性能。片簧式插孔有圆形(侧开槽、直开槽)和方形等结构型式。目前 70%电连接器选用片簧式插孔(图 7)。片簧式插孔插拔次数和插拔力有所限制,插拔次数≧200 次,失效概率 10 -2~10 -3。

片簧式插孔收口质量是影响电接触可靠性的关键工艺因素。要求专用收口工装按钻夹头夹紧钻头原理设计,即将插孔在 360°圆周方向同时受力一次完成。保证插孔

片簧弹性端面在以插孔的轴线为中心的同一圆上,以保证分离力在规定值上限。不能对插孔电镀后采用钳式收口。因片簧式插孔钳式收口时,片簧一次只能两个方向受力,需多次钳夹完成。由于不是 360°圆周方向一次完成,很难使插孔片簧弹性端面保持在以插孔轴线为中心的同一圆上。针孔插合后,插孔片簧很难与插针表面形成完全可靠的电接触。

(2) 冠簧式

冠簧式插孔内置铍青铜多簧并带斜纹连接,弹性不会失效,可保持插孔内冠簧与插针良好的电接触和避免插合时损伤插针(图 8)。优点是制作成本比线簧式插孔低,并具有高的动态接触可靠性、插拔柔和、接触电阻低而稳定,允许带电插拔、抗震、耐冲击等特点。插拔次数≧5000 次。保持力可达 3-10KN(按客户需要定制),失效概率 10 -4~10 -5。

连接器

近年来广泛应用的分体式冠簧(簧爪)插孔与原传统的直开槽插孔相比,接触件插合后有更多电接触面积和接触点数量,具有更好的电接触可靠性。图9为冠簧(簧爪)插孔结构示图, 图 10 为冠簧(簧爪)插孔中的簧爪位置图。

冠簧插孔主体与冠簧(簧爪)的过嬴压配工艺质量是影响其电接触可靠性的关键工艺因素。通常在冠簧插孔自动装配线上除逐个100%进行分离力检测外,还需在生产过程中抽样监测冠簧(簧爪)从插孔主体中拉脱力或间接测量冠簧插孔主体与冠簧(簧爪)的过嬴压配变形量,监测其保持力是否合格。压配变形量越大,冠簧插孔的保持力也越大。

(3) 线簧式

插孔由多根弹性金属丝按单叶回转双曲面的直母线排列,形成两端大、中间小的鼠笼式插孔。插孔小于0.76mm 时仍有12根独立簧线,每根簧线与插针形成一个接触点,使插针和插孔中多根独立的铍铜丝同时接触,构成多个导电通路。与其它插孔接触件相比;线簧式插孔接触件具有接触电阻低、操作力矩小、插拔柔和、耐磨损、机械寿命高和耐振动冲击性能好等特点。特别适用于制作接触可靠性要求高的军用电连接器。线簧式插孔插拔次数≧100000 次、失效概率10 -8―10 -9。插合时弹性铍铜丝在插孔中起重要作用,多根弹性铍铜丝均匀而紧紧地包络在插针四周表面上。图 11为弹性线簧与插针接触界面示图,图 12为 14 根独立簧线的线簧插孔。

优良的弹性铍铜丝材料力学性能和精准制作工艺是保证线簧插孔电接触可靠性的关键因素。

连接器

2) 弹性插针

(1) 绞线式

绞线式插针是在三股芯缆铜线外包着七股铍铜线构成的弹性线缆做成一段缆束,再压接到套筒上,最后鼓腰形成绞线式插针(图 13)。配合的插孔为非弹性管。由于插入时绞线式插针外面七股铍铜线变形,紧密接触刚性插孔管壁,产生可靠的电接触。

在材料质量一致性稳定可靠的前提下,线缆镦粗鼓腰后的外径尺寸,是影响绞线式插针连接器电接触可靠性的关键因素。在绞线式插针智能化生产过程中广泛应用机器视觉在线检测,监控绞线式插针线缆镦粗鼓腰后的外径尺寸一致性。

(2)片簧式

片簧式插针釆用铍铜带经冲制成带有多片弹性片簧和针体压接组装成片簧式插针(图 14)。依靠插针上周向均匀分布的多片弹性片簧与刚性插孔内壁紧密接触产生正压力,保证低而稳定的接触电阻。与绞线式相比,工艺简化成本较低。

连接器

3) 弹簧针

弹簧针最初设计用于手机,应用于要求小型、可靠、匹配周期极高、成本低场合。其基本结构由针筒、活塞针头和螺线压缩弹簧三个零件构成。针筒上带一卷边,将针头夹持在针筒内,靠压力在针头和对应零件的一个固定平导电区域之间建立电接触。依靠针筒和活塞针头间摩擦接触导通电流,针筒和活塞针头间摩擦依靠弹簧弹力实现,弹力越大,摩擦越大,导通电流能力就越强(图 15)。

簧爪式弹簧针由于弹性零件簧爪的存在,使针筒和活塞针头间摩擦变得小而稳定(不受弹簧弹力影响),延滞影响几乎可忽略不计。全行程接触电阻可稳定在 10mΩ,明显降低大电流传输发热。簧爪式弹簧针与中空针头弹簧针相比,电接触性能更稳定可靠(图 16)。

连接器

2.2 射频连接器设计工艺因素影响

早期低频连接器不需提供大量讯号传递,对连接器质量评判以电气性能(直流导通、接触电阻)和机械性能(插拔力、保持力、机械寿命)为重点。进入本世纪后,USB及 IEEE1394 相继问世,连接器由原只要求导通发展到大量讯号传递。

随传输数据大量化,带动 HDMI、Display port 及 USB3.1 Type-C 等高频连接器的研发,连接器传输速率由 Mbps 级提升至 Gbps 级,传输速率持续加快使降低噪声干扰成为重要课题。单线传输构架逐渐转换成双绞线方式,甚至以射频同轴线态型组成,藉以降低本身噪声的产生及提升抵抗外界干扰能力。

1) 动态接触界面状态分析

射频连接器插合界面接触状态好坏决定了其接触非线性大小。接触表面粗糙度越低,接触界面金属接触越多,夹有金属氧化物膜和绝缘介质的接触界面越少,在其它相当情况下,非线性越小。反之,非线性越大。接触界面接触压力越大,会使接触界面金属接触越多,接触界面夹有微小和较大空气间隙越少,会使接触界面夹有金属氧化物膜可能被刺破趋向金属接触,非线性降低得越多,反之,非线性越严重。当信号增强时,接触界面夹有金属氧化物膜存在可能被击穿趋势,导致金属间熔接而使非线性下降。当接触界面接触压力不够或由于振动导致接触界面形成微观分离,则产生严重的非线性。

铁磁性金属材料零件会随电流流动的环路导磁率变化形成铁磁非线性,相当于一个非线性的环路电感变化。它导致具有二个或多个非常强的干扰信号产生。这种非线性是不随时间变化的磁饱和形式,通常比正常的接触非线性强。

同轴(射频)连接器金属零件电镀目的是为降低接触界面表面粗糙度,提高耐环境性能。电镀质量影响接触界面接触状态,直流电沿导体横截面均匀相等密度流动,而射频电流随频率增髙,会产生称为“趋肤效应”趋向导体表面流动现象。趋肤深度取决于频率和金属导电率。趋肤深度决定了电镀层厚度,电镀质量确实会影响产生无源干扰(PIM)。

2) 设计因素影响

射频连接器设计三原则是:连接器每一横截面上尽可能保持一个恒定的特性阻抗;二是阻抗不连续是不可避免的,对每个阻抗不连续都要进行补偿;三是同轴元件中导体尺寸公差不可避免,要把电气性能对机械公差的依赖减至最小。设计为固定内导体防止旋转窜动,常在内导体上设置倒刺或滚花,使内导体局部外径增大,相应的外导体未做补偿,使倒刺或滚花处阻抗不连续,不符合第一、二条基本设计原则。在内、外导体直径变化处产生不连续电容需补偿常被忽略,因结构工艺需要在内、外导体上打孔,孔径变化影响该处阻抗常被忽略,这些都不符合第二条基本设计原则。 有些产品因结构需要,收口处正处于机械电气基准面或在基准面处设置压环,用于固定绝缘支撑,不符合第三条基本设计原则[4]。

3) 工艺因素影响

射频连接器产品零件生产过程中不可避免存在内、外导体直径公差,内、外导体横截面由于制造或装配原因引起不同轴,内、外导体为保证弹性接触常开有不同数量轴向槽而使该处直径变小,内、外导体插合后的轴向间隙和绝缘支撑的轴向位置等都会影响其特性阻抗(图 18)。

特性阻抗对表面粗糙度有依赖。当具有 1.905μm 表面粗糙度内导体在 7GHz 时替代 0.127μm 表面粗糙度内导体时,7/16 英寸标准空气线特性阻抗有 0.1%差别,相当于这一特性阻抗差别的内导体直径变化约 5.08μm[3]。

为降低导体电阻率常对导体表面电镀,因导体电阻率涉及特性阻抗、损耗和传播速度。在 500MHZ 以上,导体电阻率对特性阻抗和传播速度的影响是二阶的,且常被忽略。由于电镀工艺不同,可使镀银导体电阻率改变很大。射频连接器片簧插孔电镀后用尖嘴钳收口,易使插孔外表面镀层形成压痕,使插孔工作时形成干扰源。

装配过程中零件位置颠倒错乱或张冠李戴,零件前后方向颠倒,零件镦粗变形或端面碰伤,装配中混入多余物和电缆剥制尺寸不当等都会导致射频连接器电压驻波比(VSWR)超标。

壳体与接触件的压配和压铆应在具有足够压力的压力机或釆用专用工装,保证壳体与接触件的接触面 360°圆周完全接触,若釆用压力不足压力机,接触面易出现微观间隙在产品工作时形成干扰源。用专用工装锤击压配或压铆,因受力不均在受力较小部位存有微观间隙,在产品工作时也会形成干扰源[2]。

3 连接器静态端接界面电接触可靠性分析

3.1 不可分离端接界面

1) 焊接 

焊接是导线线芯焊接在接触件焊槽内,最常用的是锡焊。要保证焊锡料和被焊接触件端接表面的金属连续性,一根导线应在 4~5 秒内焊好,强烈和长时间的加热会损坏气密性和绝缘性。反之,加热温度低会造成“虚焊”。另外焊孔直径与所选用导线直径要匹配,焊点不应超过焊孔直径。

2)表面贴装连接

表面贴装技术(SMT)是一种面向系统的制造方法,用于把无引线或短引线的表面贴装电连接器直接贴装在基片表面。 表面贴装电连接器节省了印制板加工孔和孔金属化的费用,放置率是通孔的 3~10 倍。若基片所有元件均采用表面贴装,只需回流焊一种作业,成本更低,也更有效。表面贴装(SMT)电连接器由于接触件间距小,对印制板的加工质量要求很高,要求印制板平面度非常高,能和表面贴装电连接器耦合很好。表面贴装电连接器适用于大规模流水线生产,不适合小批量手工操作。

3) 压接 

压接是将经剥去导线绝缘层的裸导线芯送入压接接触件的压接筒内,通过观察孔观察导线是否到位,用手动或自动压接工具对压接筒进行机械压紧而产生的连接。它是让金属在规定限度内发生变形将导线连接到接触件的一种端接工艺。其工艺要点是导线、压接筒和压接工具三者的正确配合,以获得最优的压接形状和压接深度。接触件和导线线径的匹配非常重要,接触件压接处与线芯直径的配合尺寸不好,造成压接变形量太大或太小,会导致接触件压裂、芯线压断或虚压等。压接式耐环境军用电连接器虽具有优良的耐环境性能,但缺点是可维修性较差,接触件和导线压接后用嵌卸工具送入绝缘体安装孔内看不见、摸不着。 

4) 穿刺连接

穿刺连接不需剥去电缆绝缘层,靠连接器的“U” 字形接触簧片尖端刺入绝缘层中,使电缆导体滑进接触簧片的槽中,并被夹持住,从而使电缆导体和电连接器接触簧片间形成紧密的电连续性。广泛应用于各种印刷电路板之间的带状电缆连接。

5) 压入

将连接器接触件(俗称鱼眼端子)直接压入印制板孔内,依靠接触件机械力将接触件固定在印制板上,无需焊接等其它固定方式。一般应用于不允许锡焊的特殊场合。它对印制板和连接器的制造工艺要求都非常高。

6) 绕接

是将裸的韧性金属导线直接缠绕在带棱角的接触件绕线柱上,绕线时导线在张力受到控制的情况下进行缠绕压入并固定在接触件绕线柱上,以形成气密性接触。导线韧性不好就会产生接触面不均匀。

 3.2 可分离端接界面

1)对接

用螺栓、螺钉或使用夹具等中间部件将接触件与电线电缆线芯机械连接的可分离紧固连接,可装拆而不破坏连接的完整性。紧固对接界面受接触压力和材料塑性变形影响。材料电阻率越低、硬度越低、抗腐蚀性越髙,则紧固过渡电阻越低。因此,接触表面通常复盖如钖、银、镉等软且耐腐蚀材料。为改善电接触的连接性,通常使用不同的表面清洁技术。 

2)夹接

笼式弹簧连接是最广泛应用的夹接方式,适用于 0.08mm 2截面积单股、多股、细

多股导线快速连接。

4. 提升连接器电接触界面可靠性措施

1) 连接器电接触界面可靠性预计评估

开展连接器的优化设计及疲劳分析,通过有限元仿真分析对设计产品可靠性进行预计评估,确定出提高产品可靠性最重要的参数。输入几何(厚度、长度)、载荷(压力、集中力)和材料特性导自变量参数,利用有限元仿真计算获得因变量响应输出参数,包括应力、应变、温度、热流、速度等。例如射频连接器接触件的簧片优化设计,按射频连接器基本设计三原则确定最佳设计方案,坚持在射频电流通道上保持尽可能小的导体电阻和接触电阻。当产品结构初步确定后,导体电阻和接触电阻就是影响电气性能关键因素。应选用电阻率尽可能小的导体材料和镀层材料;在电流通道上接点,即零件越少越好。当接点不可避免时,应尽可能扩大接触面积,加大接触压力,提高表面光洁度;尽可能减少阶梯,不可避免时,在满足机械性能条件下,阶梯越小越好。设计最关心的是接触力和最大应力,可选择对其有影响的簧片厚度、凸台高度、插入孔变形量及簧片数作为输入参数,分析其对接触力和最大应力的影响。

2) 连接器电接触界面失效预防

实践证明:预防失效比失效分析更重要;生产过程质量监控比事后检验更重要。发达国家在实现连接器及接触件智能、高效的大规格自动生产之同时,仍采用边生产、边抽检方式现场监控分离力、保持力等关键质量参数。

出现失效现象只看图纸,不解剖实物难以发现。有些失效缺陷难以想像,必须对照被解剖实物进行分析。应经常深入生产现场观察分析生产装配过程的每一步,查明产生失效故障确切原因,并提出整改措施。

射频连接器电压驻波比超标应对照图纸对产品进行解剖复核零部件尺寸和位置、顺序和数量是否异常。射频连接器是一段带有连接结构、电缆夹紧装置的非均匀同轴线,绝缘支撑结构区、导体直径变化过渡区和端接电缆结构区,往往具有明显的阻抗不均匀。这些区域往往是失效事故多发区。

射频连接器对有不连续电容处应进行补偿设计,严格控制机械加工尺寸超差、合理选用材料和镀层、合理确定表面粗糙度和形位公差、开槽打孔应适宜,消除绝缘支撑段因尺寸公差或设计不当造成的空气隙等。要验算绝缘支撑的厚度,合理确定绝缘支撑在连接器中的轴向位置,尽可能避免应用双支撑或多支撑。在保证机械性能前提下绝缘支撑厚度越薄越好,相互间距越大越好。

 

【参考文献】

[1] 李德明 无源交调干扰(PIMI)的产生与预防-射频连接器低 PIM 设计机电元件 2005 年第 2 期

[2](加)Milenko Braunovic、(白俄)Valery V.Konchits、(俄)Nikolai K.myshkin 著许良军、芦娜、林雪燕、孔志刚译 电接触理论、应用与技术 [M]北京 机械工业出版社 2010 年 10 月 202-205

[3]李德明 无源交调干扰(PIMI)的产生与预防(二)机电元件 2012 年第 2 期 29-31

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