摘 要：据观测，汽车连接器镀锡接触件接触电阻因微振腐蚀而增大。微振腐蚀是由热循环或振动引起的，本研究建立了接触电阻测量条件，以获得镀锡接触件微振腐蚀磨痕上的接触电阻分布情况，从而阐明接触电阻与氧化物形成之间的关系。结果，在通过EDX分析接触电阻测量的氧浓度较高的区域中，所测得的接触电阻较高。基于接触迹线处的接触电阻分布，通过静电场分析估算整个接触迹线的接触电阻。这些分析结果与实验中微振腐蚀的接触电阻基本一致。

关键词：镀锡；微振腐蚀；电接触件；接触电阻；电阻分布

1 引言

对于汽车连接器来说，镀锡端子一直成本低、可靠性又高的选项。不过，最近的设计趋势迫使连接器的物理尺寸逐渐减小，插入力减小。在恶劣的应用条件下，这些减小的力可能会导致接触界面处产生运动，并由此产生微振腐蚀现象。根据相关报道，锡界面的微振会产生氧化锡粉末，在界面处形成磨料磨损，导致接触电阻增加^[1-7]。然而，氧化锡粉末的形成与接触电阻之间的关系以前从未有过详细报道。因此，本研究旨在阐明接触点接触电阻的增加以及触点内电阻分布情况，从而阐明接触电阻增加的机理。为此，本研究建立了测量微振腐蚀磨痕内接触电阻分布的具体条件，并对接触电阻与磨损沉积层之间的关系进行了评估，并与静电场分析估计的整个接触磨痕的电阻进行了对比分析。

2 实验样品

2.1微振腐蚀磨痕实验样品

我们使用的实验样品是带有5μm厚镀锡层的低磷青铜合金，然后对制成板状半球体的平面和凸球形接触件进行了微振腐蚀试验。微振腐蚀试验之后，我们将平面样品用作接触电阻分布测量样品。本研究中使用的微振腐蚀试验装置与伊藤在文献《微振腐蚀详细表面转变机理》中^[6]使用的设备相同。微振腐蚀试验条件和样品条件详见表1所示。

表1微振腐蚀试验条件和样品条件

微振腐蚀试验之后，我们采用原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）和能量色散X射线分析（EDX）进行元素分析，观测其微振磨痕。例如，微振循环次数和接触电阻之间的关系如图1所示。横坐标轴表示微振循环次数，纵坐标轴表示接触电阻。在初始阶段，接触电阻稳定在0.7mΩ左右。当微振循环达到100次左右时，接触电阻开始增大；在大约500次微振循环后，接触电阻一度出现减小，随后又迅速增大。在这个接触电阻测量实验过程中，我们采用了60次-1000次微振循环后的试样。

图1 微振次数与接触电阻之间的关系

3 实验方法

图2是接触电阻分布测量装置示意图。在这一装置中，当Z工作台随着安装在该工作台上的测力传感器下降，直至达到指定负载时，我们就采用四端子法测量接触电阻。另一方面，我们利用一种可以机械控制的XY二维工作台，这样就可以10μm为基本单位对样品进行移动。在本研究中，我们对300μm×300μm接触电阻测量区域进行了检测。

作为一种测量探针，我们所采用的是用于半导体测试的商用探针。探头边缘呈圆锥形，其锥度约为60°，如图2（b）所示。接触电阻分布的测量条件如表2所示。为了获得准确的测量结果，我们参考了Y. Ando、K. Mano等人的研究报告来确定接触电阻测量条件^[8,9]。

（a） 接触电阻分布测量装置示意图

（b） 研究接触电阻分布的商用探针

图2接触电阻分布和接触探头形状测量装置示意图

首先，为了评估接触电阻测量本身的稳定性，我们在接触电阻测量试验中使用了没有微振腐蚀磨痕的镀锡板。在确认接触电阻测量的准确性之后，我们做了接触磨痕趋势线分析和图形分析。

表2 接触电阻分布测量条件

4 实验结果

4.1无微振腐蚀磨痕接触件接触电阻的测量

为了确认该测量系统的接触电阻测量精度，我们首先对100个接触电阻分布点进行了测量，其测量结果如图3所示。横坐标轴表示接触电阻测量频率，纵坐标轴表示接触电阻。从接触电阻测量结果来看，接触电阻的平均值为15±7mΩ。这就充分验证了测量接触电阻分布的可能性。

图3 镀锡铜板100个接触点接触电阻分布情况

4.2 第130次微振时的接触电阻分布结果

图4是测试样品微振次数（横坐标轴）和接触电阻（纵坐标轴）之间关系图。接触电阻的初始值为0.73mΩ,接触电阻在大约100次微振之前是比较稳定的，此后开始增加。在130次微振之后，当接触电阻开始增加时，我们对试样的分布情况进行了测量。此时的接触电阻为1mΩ，其结果如图5所示。

图4 被测样品中微振次数与接触电阻的关系

（a）AFM观测                             （b）接触电阻分布结果

图5 130次微振后接触电阻分布结果和AFM观测图

从图5（a）可以看出，在微振腐蚀磨痕的中心部分形成了凹痕，凹痕周围形成了沉积层。该沉积层的最大厚度约为8μm。接触电阻测量区域显示为梯形。接触电阻分布结果如图5（b）所示。无腐蚀区域的接触电阻在10mΩ~20mΩ之间，微振腐蚀磨痕中心部分的接触电阻较低，约为30mΩ,微振腐蚀磨痕周边部分的接触电阻为100mΩ或以上，达到最大值6Ω。探针的电阻值之所以远高于实际微振电阻主要是因为探针的接触面积远小于微振数据接触面积，而且部分氧化物的形成对接触电阻测量有影响。从图中可以看出，在有氧化物沉积的部分，接触电阻趋于增加。

基于SEM的二次电子图像观测结果如图6（a）所示。铜、锡和氧的EDX元素分析图结果分别参见图6（b）、（c）和（d）。

（a） AFM观测图                               （b）铜元素分析

（c）锡元素分析                             （d）氧元素分析

图6 二次电子图像观测结果和元素分析分布图

在这些元素分布于接触电阻测量结果中，高浓度区域看起来更白。这些结果表明，在中心凹陷处，铜暴露，锡减少，氧浓度低，而在周边部分，锡和氧浓度趋于增加。从这些结果可以证明，接触电阻较高的部分其含氧浓度较高。

图7 微振循环次数与接触电阻变化关系图

同样，我们可以从图7中看出试样在完成60次、100次和150次微振时微振次数（横坐标轴）与接触电阻（纵坐标轴）之间的变化关系。

图8是每个微振频率下试样的AFM测量结果和接触电阻分布测量结果。AFM观测图中的正方形是接触电阻方位图的测量区域。与130倍滑动频率的结果相同，有沉积物的部分往往具有更高的接触电阻。

（1） AFM观测图                          （2）接触电阻图

（a）微振60次时的样品

（1） AFM观测图                         （2）接触电阻图

（b）微振100次时的样品

（1）AFM观测图                          （2）接触电阻图

（c） 微振150次时的样品

图8 AFM观测结果与接触电阻的关系

5讨论（与静电场分析比较）

为了阐明接触电阻分布与整个接触件实验接触电阻之间的关系，我们采用接触件模型进行静电场分析。本研究的这一接触点静电场模型参见图9所示。与实验情形相同，这一接触模型模拟了凸点与平面之间的接触。平面尺寸假定为7mm×5mm，凸点的曲率半径为3mm，凸点的高度为0.1mm。通过微振腐蚀磨痕实验获得的平面和凸点之间的接触区域为φ200μm。我们假设在这一模型中，下试样（平面）电压固定为0V，按照图9（c）所示从上试样（凸点）施加电流10mA。

（a） 总视图

（b） 凸点侧和接触区域

（c）施加电流条件

图9 接触静电场分析模型

稳态条件下的拉普拉斯方程可用公式（1）来表示，φ表示电势 ^[10] 。

∇2φ=0    (1)

在此基础上，我们对φ进行有限元分析，使拉普拉斯（Laplace）方程适用于所有的网格点。贱金属的导电性适用于铜合金的导电性。我们可以根据锡和氧化锡电阻率的接触电阻分布结果，估计出接触区表面的表观电导率。这些表观电导率是根据氧化物形成时的接触电阻和非氧化物形成区域的接触电阻之间的差值计算的。

我们的计算是在下列五种情况下进行的：初始滑动频率（0次）和微振60次（接触电阻增加之前）、100次（接触电阻开始增加）、130次和150次。

样品初始电位分布结果参见图10所示。经计算，初始接触电阻结果为0.765mΩ。

图10 初始（0次微振）电位分布结果

图11是每种静电场在接触区域的电流密度分布结果。右图是其电流密度分布情况，左图是原子力显微镜（AFM）观测结果。其中，圆圈是估算的接触区域。

（1） AFM观测图                               （2）电流密度

（a） 60次微振循环

（1）AFM观测图                              （2）电流密度

（b） 100次微振循环

（1）AFM观测图                                  （2）电流密度

（c） 130次微振循环

（1）AFM观测图                            （2）电流密度

（d）150次微振循环

图11静电场与AFM观测接触区域电流密度分布的比较结果

在结果中，我们发现在没有沉积层的低电阻部分，其电流密度都很大。这就充分证明，电流主要是在低电阻区域大量流动。接触电阻分析结果与微振腐蚀磨痕实验结果的对比参见图12所示。

图12 微振腐蚀磨痕电阻值分析结果与实验值对比

实验结果与根据每个样品案例的分析结果估计的接触电阻基本上一致。因此，借助于这一分析模型，我们可以利用微振腐蚀磨痕的电阻图结果来估算整个微振腐蚀磨痕上的接触电阻。

6 结论

我们尝试采用半导体检测探头精确地测量微振腐蚀磨痕的接触电阻分布情况，所获得的结果如下所述。

1）微振腐蚀磨痕的接触电阻分布结果和微振腐蚀磨痕AFM、SEM和EDX分析结果显示出以下趋势：氧化物沉积层较少的部分显示出较低的接触电阻，而氧化物沉积层丰富的部分则显示出较高的接触电阻。

2）就接触电阻而言，基于微振腐蚀试验的接触电阻实验结果与基于静电场试验的分析结果基本一致。因此，建议在未来，通过研究每个接触磨痕的接触电阻分布情况，我们可以估算出因微振腐蚀退化的端子配合后的接触电阻。但在本研究中，微振电阻高达5mΩ。因此，当微振电阻达到1Ω左右时，这一模型所适用的问题还有待于人们进一步研究。

参考文献：

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