摘要：随着汽车电子设备应用的日益广泛，大量连接器，尤其是低成本镀锡连接器市场需求越来越多。于是，连接器接触可靠性成为人们关注的焦点。此外，受热循环和振动引起的微振磨损影响的连接器，因接触件中锡的磨损和氧化物沉积，接触电阻会上升，从而导致接触不良等问题。本研究旨在从实际可靠性角度分析镀锡连接器从微振磨损开始到寿命结束的接触电阻变化，并从微观角度观察微振磨损的痕迹和特征。研究发现，镀锡连接器的磨损和氧化从微振磨损一开始便出现了。因此，微振区域磨损粉末的积聚会导致连接器迅速达到其使用寿命的终点。尤其是，微振振幅对连接器的寿命具有相当大的影响。此外，锡在微振区域的“气密性”对微振磨损也有很大影响。

关键词：微振磨损；寿命；镀锡；电连接器

1 导言

汽车的计算机化带来了连接器需求量的大幅度增加，包括用于传感器和计算机的低电流连接器。 低电流连接器使用量的增加也带来了一系列问题，如热循环、振动、水、盐等引起的接触点劣化，这可能导致接触可靠性降低和汽车故障。作为低电流连接器问题的一部分，一直存在着一些未知原因的自发性电子故障，当连接器受振动或被取放时，这种故障就会出现和消失。据说，在热循环和振动条件下产生的微振磨损可能已经导致了数起此类电接触不稳定的汽车故障。

过去，人们已经对微振磨损进行了研究^[1]-[9]。研究表明，微振磨损点的接触电阻值在几百次微振循环之后增加到比初始值高出约三到四位数的峰值^[1]-[3]。接触电阻的增加主要是微振磨损表面上被磨损的氧化锡沉积层大量堆积所致^[3]。随着微振的继续进行，这层厚厚的积聚层被磨掉并被清除。结果，接触件和镀覆的铜合金之间的微振导致接触电阻显著降低。此后，反复出现的微振运动又导致了铜合金之间出现微振磨损，从而导致接触电阻比初始值高出几位数。早期研究主要报道了沉积物的这种特征和相关分析^[3]。

结果表明，当微振振幅在5至300μm之间时，接触件寿命会受到影响^{[1]、[2]、[4]-[6]}。在一些研究中，出现失效前的接触寿命可以用接触电阻达到10mΩ、20mΩ的循环次数来表示^{[1]、[2]、[6]}。在超过1000次微振循环的钯接触件中，人们揭示了一次微振循环中接触电阻与位置的依存关系^[6]。

对于实际连接器来说，如果没有镀锡层，而且由于表面氧化沉积层使其接触电阻比初始值高出几位数，那么，这个连接器就不具有什么可靠性。为了确保可靠性，电接触区域必须具有稳定和较低的接触电阻。

在本研究中，从连接器可靠性来看，我们将从稳定状态开始到接触电阻突然增加结束这种微振循环视为连接器的寿命期。因此，我们要对这些特征进行分析。此外，我们发现，在从接触电阻稳定阶段开始到最终寿命结束的微振循环阶段，平均接触电阻的变化及其波动幅度会随着循环的重复而增加。

通过进一步详细分析，我们发现接触电阻值增长存在一种稳定的模式，即取决于其在一次微振磨损循环中的接触部位。此外，我们还重点研究了公母端连接器的所谓“密封连接”，这一措施在传统上认为可以有效地防止微振磨损的发生。文中，我们还分析了微振幅度的影响和特征，并努力消除其微振机理。

2 微振试验仪器和测量方法

我们研究了以下两种不同层次的微振距离。在汽车行驶12万公里后召回的连接器中，有几个仪表板连接器已经达到了约800μm的高微振幅度，如图1所示。因此，我们关注的是微振早期的两种层级：50μm的普通振幅和上述1000μm的最大振幅。对于微振重复频率，实际汽车应用中所包括的范围很广，但我们在本研究中，频率仅限于1Hz的恶劣条件下。连接器接触区域的接触负载被设置为3N，接近于真实实际汽车的下限。

图1真实汽车连接器上观察到的长接触痕迹SEM图像

微振装置示意图如图2所示。微振试验由高精度控制的电机驱动。该系统还可以任意设置振幅、微振磨损重复频率、微振循环次数等参数。通过该系统，我们可以在1至1000μm的微振循环振幅范围和0.0167至25Hz的频率范围内进行微振试验。电机为交流伺服电机，其分辨率为1μm。为了控制频率，在频率固定的情况下，其滑动速度依据振幅而改变。对于垂直加载而言，砝码置于微振磨损测试样品的顶部，这样就可以在平衡杆一端的样品上施加指定的载荷。在该系统中，我们可以测量0.01mΩ至100Ω的微振循环接触电阻。

图2 微振装置示意图

微振磨损测试样品的配置（半球形凹坑和平板，两者相互接触）和接触电阻的测量方法如图3所示。铜合金的凹坑和平板镀覆了厚度约为1μm的锡。凹坑的曲率半径R为1mm。接触电阻测量依赖于图3所示的四端法。微振磨损测试电流设置为10mA，最大开路电压设置为1V。检测一定数量的样品在微振循环过程中接触电阻的变化，并将其测量值保存在PC机中。我们在本研究中使用的样品数量在两个以上，并且达到了足够高的可重复性。室温约为25℃，湿度约为45%。

图3 接触件配置和测量方法

在本微振循环研究中，微振试验初期稳定的电阻值（此处为0.2mΩ）开始迅速上升，并升高到0.4mΩ，如图4所示。这对应于异常微振磨损开始的循环试验次数（此处为62次）。该值在此处定义为连接器的寿命。此外，我们利用SEM（电子扫描显微镜）和EPMA（电子探针显微分析）详细分析了微振磨损的痕迹，以研究微振磨痕与接触电阻之间的关系。

图4连接器接触件寿命的定义

3 实验结果与讨论

3.1 早期微振磨损特征

根据佐藤等人^[9]的试验报告，我们发现接触电阻在第100次（50次）之前急剧增加，在第300次达到数百mΩ或更高，如图5所示。如此高的接触电阻表明连接器实际上已经失去了可靠性。为了提高可靠性，我们有必要掌握接触件在早期稳定循环试验阶段的技术特征，并制定提高微振循环寿命的措施。

图5 典型的微振特性

图6显示振幅为50μm的稳定阶段内接触电阻的变化情况，并显示了每次微振循环接触电阻的最大值和最小值。0次循环时，其接触电阻为0.4mΩ，并随着微振磨损的开始而出现下降，在第10次微振循环时稳定在约0.2mΩ，然后在第30次微振循环附近开始逐步上升。在第40次微振循环时，连接器达到了其寿命期。此后，接触电阻继续急剧增加。与此同时，一次微振循环试验接触电阻的波动幅度也会扩大。0到10次微振循环范围属于早期磨损阶段：因此在摩擦学领域被称为早期微振磨损阶段，随后是正常微振磨损阶段，然后是40次循环后的异常微振磨损阶段。

图6振幅为50μm的早期样品的典型微振特性

我们分析了接触件在接触区域的接触电阻，将测量点定义为位置相，如图7所示。这意味着每次的接触电阻测量从接触区域中心（= 0相）开始，经过左（=π/2相）、中心（=π相）、右（= 3π/2相），到达中心（= 2π相）。

图7 位置相的定义

图8 振幅为50μm的微振接触电阻三维位置依存关系

这一特性在图8中以三维方式显示，以表明微振位置、接触电阻和微振循环次数之间的相互关系。在该图中，纵轴（y轴）、横轴（x轴）和z轴分别表示接触电阻、一次微振循环试验中的位置和微振循环次数。在横轴（x轴）上，微振从零振幅位置（振幅中心）开始，向右滑动，直到达到最大微振位置（振幅为50μm时为25μm）。从该位置开始，将微振循环的方向反转过来，向左滑动25μm，直到滑动位置穿过循环试验的中心（共50μm）。然后，微振循环的方向再次反转。在重复这种微振循环运动的同时，微振也在进行。如图8所示，在第40次循环附近，接触电阻的波动（峰谷）开始出现在每个微振循环的两端，其变化幅度随着微振循环次数的增加而增加。这就是图6中二维电阻值波动（发散）的细微之处。

图9 振幅为1000μm的早期样品的典型微振特性

图9和图10显示振幅为1000μm的微振情况。在第2次及后面的微振循环试验中，接触电阻增加，寿命在6次微振循环的很短时间内即行停止，电阻值的波动（发散）范围也随之扩大。在图10（三维显示）中，接触电阻在滑动末端显示出较高的峰值。这是由于氧化锡和其他微振磨损碎屑积聚在微振端部造成的，如图14中给出的接触痕迹的放大SEM横截面图像所示。在图9所示的微振循环次数与接触电阻之间的关系中，其接触寿命确定为6次，其接触电阻是最小电阻值的两倍。不过，在微振情况下，电阻值会出现数倍的波动（发散），这取决于微振的位置，如图10所示。而且，这对接触可靠性的影响需要在未来进一步加以研究。P.G.斯莱德研究了钯接触件中一次微振循环中接触电阻与位置的依存关系，这是由钯的微振碎屑引起的^[6]。

图10滑动位置与1000μm微振接触电阻依存关系三维图

在图10所示的1000μm微振幅度的试验中，我们拍下了接触表面磨痕SEM图像，以检查接触电阻与滑动位置的依存关系。此外，我们还进行了EPMA元素分析，并绘制其映射图。为了进行比较，我们使用SEM和EPMA分析了50μm微振幅度的样品，以检测相同微振循环次数（10次）后的接触表面状态。

图11 微振接触痕迹SEM图像

图11（a）和（b）是图8和图10中相同样品的50μm和1000μm微振痕迹的SEM图像（放大倍数：（a）×450，（b）×80）。图12显示整个微振痕迹的氧元素映射（对应于图11中的SEM图像）。从图12所示的EPMA元素映射结果可以看出，50μm微振接触部位的含氧浓度总体上低于1000μm微振；因为在正常微振磨损阶段的0.2mΩ低电阻是在第10次微振循环时出现的，而在1000μm微振中，同样是微振10次则出现了1.1mΩ的较高电阻：超出了连接器的寿命。这主要源自于锡的氧化过程。50μm微振样品表明，微振两侧的氧浓度水平比中心部分高出很多。图11（a）是10次微振循环后微振痕迹的SEM图像。由于氧浓度水平低于周围部分，因此在中心部分几乎看不到氧化锡沉积物，如图12（a）所示。在两者随着微振循环的进行，两个边缘的接触电阻比中心部分的接触电阻增加得更多，这与图8形成对应。

含氧浓度 （a）50μm

含氧浓度 （ab）1000μm

图12 微振接触痕迹EPMA氧元素分析图谱

图15（b）是接触痕迹中心部分的横截面SEM图像，可以看出锡磨损粉末的积聚情况，另见图12（a）。相比之下，在1000μm微振样品上，接触痕迹部分的氧浓度水平高于周围部分。滑动痕迹部分的氧化痕迹明显。如图14（a）所示，在1000μm微振痕迹末端位置，我们可以观察到一层厚厚的氧化锡沉积层，而在图14（b）所示的中心位置，氧化锡沉积层很薄，但分布很广。因此，我们没有发现氧浓度水平的明显差异。

另一方面，图13显示与高和低接触电阻位置（区域）对应的磨痕SEM图像。在这些图像上，表面粗糙度和磨损粉末的积聚在高接触电阻磨痕上比在低接触电阻磨痕上更为明显。为了阐明每个微振区位的接触痕迹状态，我们用SEM观察了磨痕的纵向横截面。图14是与图13对应的横截面SEM图像。

（a）高接触电阻区域

（b）低接触电阻区域

图13 1000μm不同接触电阻区域的SEM放大图像

（a）高接触电阻区域

（b）低接触电阻区域

图14 1000μm微振接触痕迹横截面SEM放大图像

作为对比样品，图15（a）显示非微振区域横截面SEM图像，而图11（a）中50μm微振痕迹中心横截面SEM图另见图15（b）。图14（a）所示的接触磨痕横截面图像表明，镀层积聚在接触电阻较高的位置（即观察到的表面粗糙区域），并且表面附近存在灰色氧化锡混合物。另一方面，图14（b）所示的低接触电阻对应的微振痕迹表明，即使在磨损之后，约0.2μm的镀层仍然存在。

此外，图14（a）和图15（b）对比了不同微振幅度引起的磨损条件上的差异。尽管在两幅图中都发现了镀层的微振磨损和磨损粉末的积聚，但我们在1000μm的微振中观测到更大尺寸的氧化锡晶粒。SEM图像证明了以下关于微振端接触电阻增加的现象，即一旦微振开始，氧化磨损粉末就会在镀层中产生，粉末被压入接触表面并推向边缘。它们对电接触部分的干预增加了接触电阻，并缩短了连接器的寿命。通过这项研究，我们发现磨损和氧化状态取决于微振的幅度。

（a）非微振区域

（b）50μm微振接触磨痕中心区域

图15 0循环微振和50μm微振横截面SEM放大图

3.2 微振振幅对连接器寿命的影响

经验表明，消除连接器啮合间隙（松动）是应对微振磨损的有效方法。我们已经验证了这样一个事实，即镀锡连接器在50μm和1000μm的微振振幅下会很快达到其寿命的终点。微振幅度对寿命影响的详细研究结果见图16所示。在5μm微振幅度下，其寿命超过58万次循环。研究发现，连接器的寿命在很大程度上取决于微振的幅度。

图16微振振幅与连接器寿命的关系（样本数量n=10）

对于50μm的微振振幅，详细的SEM图像和氧原子映射参见图11（a）和12（a）。从图中可以看出，在循环往复微振搭接区域，氧气浓度较低，在滑动搭接区域保持着高水平的气密性（即处于气密状态），从而限制了它暴露于环境大气中。

因此，在20μm或更小的微振振幅下，其接触寿命显著延长；如图16所示，这应该是微振过程中镀锡表面镀层气密状态导致的氧化显著减少造成的。也就是说，通过气密状态抑制其氧化是防止微振磨损的一个有效措施。

4 结论

对于汽车用镀锡连接器微振磨损，我们从实际可靠性角度定义了受微振磨损的连接器的寿命。也就是说，“寿命”可以定义为微振循环的次数，在达到这一次数时，其早期稳定接触电阻值会增加一倍。在上述“寿命”期末时，镀锡层仍可能保留在接触表面上，并允许连接器在实际应用中继续使用，但此后接触电阻值将会迅速增加。在上述前提下，我们做了一些调查，澄清了以下事项：

（1） 在镀锡层上，氧化锡的磨损粉末出现在微振表面，并积聚在微振磨痕上。

（2） 微振振幅对连接器的寿命有很大影响。10μm微振20000次循环后，寿命结束；1000μm微振6次循环后寿命即告结束。

（3） 磨损的氧化锡被配合的凹坑接触点推向滑动端，并在那里积聚。结果，接触电阻值在接触磨痕的每一端都出现增加。

（4） 连接器的寿命在很大程度上取决于微振振幅。在20μm或更小的振幅条件下，其寿命会大幅延长。微振导致镀锡层表面氧化，并产生氧化锡磨损粉末。不过，在连接器几乎不暴露于大气环境，且微振振幅较短的情况下，气密部件会阻止氧化，因此寿命会明显延长。

未来，我们将进一步研究微振磨痕形状的变化、氧化状态，以及连接器寿命对磨损粉末积累的依存关系。

参考文献：

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