摘  要：半永久性接触件在其整个生命周期内的长使用寿命依赖于一个稳定的接触力。这种稳定性使连接器具有可靠的机械和电气性能。在以前的一项研究中，我们用插入力和摩擦系数评估接触力。首先假设接触材料（HE9连接器金镀层）的摩擦系数是恒定不变的。不过，在印制电路板（PCB）与连接器多次插拔后，薄薄的金镀层可能会受到严重影响。实际上，当接触区域没有得到充分润滑并且受到切向应力时，接触表面的摩擦系数会随之改变。在这种情况下，摩擦系数不再被视为一个常数。本文提出了一种使用超薄压阻式传感器直接测量半永久连接器接触力的新方法。为此，我们要计算摩擦系数，以确定其在长期试验过程中的演变。这项新技术可以让我们更多地了解连接器老化的动力学原理，并为识别可能出现的接触失效提供答案。

关键词：连接器/接触件可靠性；摩擦系数；滑动摩擦；薄金层；接触力；插入力；压阻式传感器

1 引言

电沉积金层是高可靠性、低能耗应用中广泛使用的可分离式连接器最常见的表面接触材料。厚的镀金层（在我们的研究案例中，公端为3μm，簧片为0.5μm）接触件在使用寿命的多次循环中，在接触件滑动摩擦条件下必须保持低而稳定的接触电阻。这种接触件稳定性部分归功于有一个最佳的接触力。

了解这种接触力的演变可以为我们提供有关接触可靠性的信息。霍尔姆（Holm）描述了电接触理论的基本概念。以前，我们不可能直接测量半永久性连接器中的接触力^[2]，尽管了解这一参数对于连接器接触特性非常重要^[3-5]。过去，人们采用了一种间接方法。这包括在滑动阶段使用插入力Fi和接触力Fc之间所存在的关系，即所谓的库仑定律：

F_i=μ·F_c （1）

式中，F_c是PCB接触件上两个簧片产生的接触力，μ是接触件材料的摩擦系数。

由于摩擦发生在PCB接触件的两侧，因此必须用2倍来计算F_c：

F_c=2FN （2）

F_i=2μFN（3）

F_N是PCB接触件每侧的法向力，两侧的力应该相同。

本研究中使用的HE9连接器可能需要经常进行检验（每月检验一次），并且需要能够耐受多次插拔。这种微动与连接的功能直接相关，并且是电接触界面有意抵抗微振现象的唯一运动。

这些连接器由一个带有壳体的母端接触件（壳体包含铜铍接触簧片，在3μm镍底镀层上薄镀了一层0.5μm厚的金），以及厚度为1.6mm±0.2mm的PCB接触件（在10μm镍底镀层和每个接触件的50μm铜上镀覆3μm的金）组成，如图1所示。

HE9连接器（母端）                                                                         PCB接触件（公端）

图1 所研究的连接器实例

未润滑的金镀层接触件难以承受太多次滑动摩擦，接触件在不到100次摩擦之后就会出现严重的磨损。

接触件磨损通常是因受机械作用而导致材料的松散颗粒从固体表面损耗。影响接触件磨损的因数很多，包括表面硬度和光洁度、微观结构和体积特性、接触面积和形状、微动类型、速度和持续时间、温度、环境、材料的摩擦系数。与摩擦系数有关，接触件滑动摩擦决于材料的特性和镀层厚度。图2表示不同金膜厚度下薄金层摩擦系数的演变。连接器中金镀层接触件的磨损主要原因是粘附、磨蚀（粗糙面相互作用）和刮划。

粘附实际上是微观接触点上高应力集中而导致的局部集结现象。

所谓粗糙面就是指表面有些凹凸不平，存在凸块或凸点。当两个机械表面相互滑动时，这些粗糙面会发生碰撞，阻碍微动。随着接触力的加大，粗糙面被剪切或发生变形，最终变成了松散的磨损颗粒。

当松散的颗粒夹在接触面之间时，过大的负载就会集中在这些颗粒上。这种大的负载导致颗粒部分被埋入一个或两个接触面中（这取决于它们的相对硬度）。这就是所谓的刮划。

图2 摩擦系数与金膜层厚度变化曲线

（负荷：2.45N；速度：1.52m/min；气压：0.2666Pa；粗糙度：0.02μm r.m.s.）

加贝尔（Gabel）、德克（Dirk）和奥克兰（Aukland）等人的研究表明，对于薄金层接触件而言，摩擦系数会随着滑动摩擦次数的增加而增加。

本滑动摩擦研究的目的就是要确定所用的HE9接触件摩擦系数的演变情况。了解这个参数非常重要，因为它会导致滑动接触件的严重劣化，导致接触失效。

2 一种创新的接触力传感器

为了避免在接触力测定过程中摩擦系数的影响，我们开发研制了一种超薄的创新型压阻式传感器，它可以插入连接器中，以便直接测量接触力。这种传感器，因其厚度将与标准的PCB接触件相同，所以一旦固定在PCB接触件上，就可以直接插入HE9连接器接触件中。

由于PCB接触件成本较低，并具有良好的稳定性和较高的响应，所以这种压阻式传感器现已广泛地应用于压力和接触力传感器领域。

压阻或压阻效应是指接触件材料的电阻率因机械应力作用而产生的变化。在硅等具有强烈压阻效应的导体中，当受到应力/应变时，接触件材料的电阻率会发生明显变化，导致叠层单项应变计产生明显的电阻变化。

我们采用的Mescan®制造的传感器由两层基板制成。这种基板包括了一层聚酯薄膜。每层基板上都涂有导电材料（银），然后涂上一层压敏油墨（掺有硅），如图3所示。

图3 压阻式传感器组件示意图

它基本上属于一种传感器电阻器（R_sensor），在施加负载的情况下，薄金层接触件在力与电压方面呈线性变化（~1/R_sensor）。薄金层接触件在没有施加力的情况下，其电阻约为兆欧；本质上属于一种开路。随着所施加力的增加，输出电阻下降，最终达到约10kΩ或更低，这取决于薄金层接触件应用情况。一个简单的做法就是将输出转换为线性模拟电压的外部电路。在实验中，我们使用反相放大器作为压阻式传感器的驱动电路，见图4所示。

图4 传感器驱动电路

（4）

式中，V_in是输入电压=-5V；V_out，输出电压；R_sensor是传感器电阻，而R_s则是增益电阻器。在这里，我们选择R_s，是为了获取1V/N的灵敏度。

我们在下表1中给出了传感器的某些特性。

表1传感器特性

3 实验设置及过程

我们采用压阻式传感器的直接压力测量法进行了一系列实验，使用固定在阳接触件后面的压力传感器（精度为0.01N）测量插入力，并将其施加于微型电机的位移轴上（精度为1μm），其布局如图5和图6所示。让100mA的直流电流流经薄金层接触件，这样就通过一只4线探针法测量接触电阻。位置传感器（激光）主要是用来测量薄金层接触件挠度。

制成的公端接触件厚度为1.8mm，包括压阻式传感器和填充PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）层。这种PET层改善了压阻式传感器的响应。

传感器置于一侧，电阻测量则位于另一侧（图6）。

我们进行了薄金层接触件滑动摩擦实验，测得平均接触力为3N。假设连接器中的簧片完全相同且对称，则每个簧片接触件的接触力为1.5N。

在PCB接触件初始深度插入6mm后，运动幅度为2mm，滑动速度控制在2mm/s。每个实验最多进行2000次磨损循环。这个循环次数已经够多了，因为在PCB接触件实际应用中，在其使用寿命（40年）内，PCB接触件插合次数最多也不过500次。问题是，这样的接触件实验测试很难完美再现。接触件的手工插合和机器插合是有区别的，比如手工插合时速度难以控制，而且卡缘也不一定与连接器母端平行。

薄金层接触件在插入滑动摩擦试验台以前，所有试样都用乙醇清洗。

我们编写了一个Labview®软件程序对该过程进行自动化控制，以便薄金层接触件在很长一段时间内有效地进行实验。

通过SEM（扫描电子显微镜）检查表面损伤和接触件材料迁移情况。

图5 薄金层接触件滑动摩擦实验台照片

图5的照片可以用图6来概括描述。即使两个接触表面不相同，也要考虑最粗糙表面的摩擦系数（聚酯薄膜的摩擦系数为0.19）。薄金层接触件插入力必须克服插针插入两个弹簧薄片时的最大摩擦力。

图6 薄金层接触件插入力、接触力、弹簧挠度和接触电阻测试台

4 结果与讨论

我们所进行的第一个实验是测量没有F_c传感器的新接触件和老化的接触件（2000个滑动循环）的插入力与插入深度。接触件在插入深度为3mm的老化区进行了2000次滑动摩擦循环，并在4mm的完整无磨损区进行了测量，如图7所示。

我们注意到，在最后阶段的接触件插入力在“完整区”（intact zone）找到了初始值（0.5N），而在接触件“老化区”（ageing zone），接触件插入力约为2.5N。

在薄金层接触件滑动部件中，老化区8F_i=1N中的接触件插入力（F_i）变化幅度大于新接触件δF_in=0.4N的F_i变化幅度。

如果我们取一个常数μ=0.2（参考图2），则接触力的计算结果如下：

- 薄金层接触件首次插入：F_c=0.5N/0.2=2.5N；

- 薄金层接触件2000次插拔后：F_c=2.5N/0.2=12.5N。

图7 新接触件和老化接触件插入力与插入深度关系曲线

不过，如果μ的值与时间无关，那么以前对老化后接触力的计算就不够准确。这些结果表明了直接测量接触力的必要性。

我们设置第二个实验就是要根据F_c传感器测量值确定PCB接触件摩擦系数的演变过程。

在恒定接触力（平均为3N）和弹簧挠度（平均780μm）条件下，我们在图8中观察到PCB接触件摩擦系数的增加。该曲线表明，由于PCB接触件的滑动摩擦循环，接触区出现了劣化。在滑动一侧，PCB接触件插入力的增加主要是由于摩擦系数的增加。另一方面，接触电阻在2000次循环试验后仍然保持稳定。

图8表示静态摩擦系数的演变。该系数可用公式（1）进行计算。

图8 摩擦系数、弹簧挠度和接触电阻与滑动摩擦周期的关系；3N的接触力，2mm的运动幅度，2mm/s的滑动速度

上述结果可以通过能量色散X射线（EDX）分析和对不同接触区域摩擦引起的接触件磨损轨迹的微观观察来完成。电子束的加速电压为20kV。样品置于10^-5~10^-6托尔的高真空室中。

法向表面（即接触表面）的组成如图9所示，冲击面的组成如图10所示。

图9  0.5μm厚金簧片接触件试样在1.5N法向力下的磨损轨迹及400次滑动循环后完整区的化学分析

图10 0.5μm簧片接触件试样在1.5N法向力下的磨损轨迹和400次滑动循环后冲击区的化学分析

很明显，滑动摩擦循环会对接触区域造成严重损坏。

沿着SEM照片上观察到的磨损轨迹（图9和图10），EDX分析显示，在 400次滑动摩擦循环后簧片接触面上没有检测到金的存在。图10所示的光谱显示，在接触区域存在镍的很强峰值（98.91重量%）。出现镍的强峰表明磨损痕迹主要由这些元素组成。

图11显示了簧片接触件在2000次滑动摩擦之后PCB接触件试样的磨损轨迹。该磨损轨迹与运动方向平行。

由于金的延展性，接触区域变形非常严重。我们在滑动区观察到塑性变形、磨蚀和剥层磨损特征。

3μm厚的金镀层没有像在簧片接触件那样被去除。光谱分析显示有来自簧片接触件的镍碎片。镍从簧片接触件迁移到可移动部件（PCB接触件）。

因此，由于塑性变形（加工硬化现象）和镍层的出现，材料在滑动摩擦循环下的硬度增加似乎还不足以在施加的恒定力的情况下显著增加接触电阻。尽管接触区域存在镍，但该区域内的一些金触点足以让接触电阻保持稳定（如图8所示）。

图11 2000次滑动循环后3μm厚金镀层上的磨损轨迹

5 结论和展望

以前的研究人员认为，薄金层摩擦系数的增加是接触件失效的直接迹象。我们观察到摩擦系数的这种增加，但我们同时测量的电接触电阻清楚地表明，这种增加并不是接触失效的直接表露。两个薄金层接触件之间反复的滑动摩擦会导致塑性变形。这种表面劣化不会改变接触电阻，但会导致其他接触失效。采用压阻式接触力传感器，我们通过实验证实，摩擦系数从0.2到0.5的初步增大是由于加工硬化所致。当电沉积的金镀层磨掉后，下面的镍层会开始氧化，最终导致接触失效。

鉴于我们所考虑的材料上施加的轻微法向接触力，当表面金镀层被滑动磨掉后，下面的镍镀层的缓慢氧化会导致接触失效。在较高的插入力下，会出现由镍剪力驱动的不同失效机制。在我们的案例中，铜迁移到磨损轨道中会导致氧化铜形成导致的主要失效。

参考文献：

[1] R. Holm, "Electric Contacts", 4th ed, Springer Verlag, New York, 1967.

[2] P. V. Dirk, "Critical Aspects of Electrical Connector Contacts", Proceedings of the Twenty-Fisrt International Conference on Electrical Contact (ICEC), 2002.

[3] H. Essone Obame, L. Cretinon, R. El Abdi, N. Ben jemaa and E. Carvou, "Spring Stiffness Investigations for Long Lifetime Connectors", Proceedings of The Fifty-Fifth IEEE Holm Conference on Electrical Contacts,2009.

[4] P. Laine, "Connectique", Techniques de I'Ingenieur, Traite Electronique.

[5] A. El Manfalouti, N. Ben jemaa, R. El Abdi and T. Reiss, "Experimental and Theoretical Investigations on Connector Insertion Phase", Proceedings of The forty-Ninth IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 2003.